5 причин для использования инфракрасной подсветки

1. Сложные условия освещения

Пожалуй, главная причина использования инфракрасной подсветки - это обеспечение возможности видеонаблюдения в темное время суток. Количество и качество света определяют качество получаемого изображения. Под качеством света в данном случае подразумевается то, насколько равномерно он распределён в поле кадра. Если объект плохо освещён - света недостаточно либо он распределён неравномерно, то не стоит ожидать хороших записей от камер видеонаблюдения, даже если используется отличное оборудование. Часто такие записи просто бесполезны. Несколько примеров позволяют наглядно проиллюстрировать качественное улучшение, достигаемое посредством инфракрасной подсветки (рис.1).

  

  

Рис.1. качественное улучшение, достигаемое посредством инфракрасной подсветки
Верхний ряд - подсветка выключена. нижний ряд - подсветка включена

Общее заблуждение касательно инфракрасной подсветки заключает в том, что она не дает никаких преимуществ, когда объект наблюдения освещён (рис.2). Хотя, это утверждение и верно в целом, истина более сложна и, как обычно, во многом зависит от конкретного приложения и характеристик наблюдаемого объекта. Существуют также такие специальные приложения, когда применение инфракрасной подсветки оправдано скорее днем, нежели ночью. Но это тема отдельного разговора. Что же касается ночного видеонаблюдения, то и на искусственно освещённых площадках инфракрасная подсветка позволяет добиться лучшего результата. Инфракрасные прожекторы, как правило, размещают рядом с камерой и направляют непосредственно на объект наблюдения. Это позволяет выровнять экспозицию кадра и подсветить тени, создаваемые другими источниками света. Как результат, изображение лучше "читается": значимые детали лучше различимы.

Основа любой камеры - КМОП или ПЗС матрица. Именно матрица является светочувствительным элементом. Если есть свет, есть и изображение. Если нет, необходима подсветка. Иначе, матрица не работает. А что, если свет есть, но его совсем мало или наоборот слишком много? Насколько важным для камеры является количество света?

Большинство современных камер, как было уже сказано, имеют отличные характеристики светочувствительности. В спецификациях указывают 0.1 Люкс и менее. В то время как производитель камер настаивает на том, что его камера может работать в условиях плохой освещенности, изображение от такой камеры может оказаться практически бесполезным.

Рассмотрим спектр тонального перехода от белого к черному. В идеале, камера должна передавать все возможные градации яркости сцены наблюдения (рис.2): от полной темноты глубокой осенней ночи до ослепительного солнца летнего дня. В реальности же, любая камера имеет ограниченный динамический диапазон. И хотя на рынке существуют камеры с расширенным динамическим диапазоном, такого расширенного динамического диапазона зачастую все же не хватает, чтобы одновременно корректно передать детали изображения, как в глубокой тени, так и на ярком свету. Попытаемся, например, рассмотреть высококонтрастную сцену, где присутствует и яркий источник света (точка А) и детали на темном фоне (B).

Рис.2. Спектр тонального перехода от белого к черному.

Как правило, камера со стандартными установками покажет только средний тоновый диапазон. Если поколдовать с настройками, можно настроить камеру так, чтобы сместить этот диапазон в правую сторону тонового спектра, и рассмотреть плохо освещенные детали в тени. Но тогда светлые участки сольются в одно сплошное белое пятно. Или наоборот, "сдвинуть" диапазон в сторону света, потеряв при этом всю информацию в тенях. Рассмотреть и то, и другое одновременно не получится. Динамического диапазона не хватает.

Решением проблемы является дополнительная подсветка. Добавляя света, мы подсвечиваем тени, исключаем наиболее темные места объекта наблюдения, обрезаем тоновую диаграмму справа и, как бы, подстраиваем наше изображение под динамический диапазон камеры. Такая технология помогает как днем, так и особенно в темное время суток. Однако необходимо отметить, что к подбору источника дополнительного освещения в этом случае необходимо подойти особенно тщательно. Чем больше диапазон яркости надо компенсировать, тем более мощную, и, главное, тем более равномерную подсветку необходимо обеспечить. Равномерный, заливающий свет является ключевым условием, так как направленный мощный луч может не улучшить, а даже усугубить ситуацию, увеличивая диапазон изменения яркости, вместо того, чтобы его уменьшить. Современные высококачественные светодиодные прожекторы позволяют добиться равномерной подсветки, не превышая при этом разумных значений потребляемой энергии.

2. Скрытое освещение

Инфракрасное освещение подразумевает, что длина волны излучения находится в интервале от 700 до 1100 нм. Глаз человек не чувствителен к излучению в этом диапазоне длин волн, поэтому этот свет для нас невидим. А вот матрицы современных камер видеонаблюдения обладают чувствительностью в этом спектре, что, собственно, и позволяет использовать инфракрасную подсветку для охранного видеонаблюдения. Таким образом, то, что для человека представляется абсолютно тёмным объектом, на самом деле может быть прекрасно освещенным в инфракрасном спектре излучения.

 

Рис.3. Пример архитектурной подсветки

Невидимость инфракрасной подсветки является прекрасным свойством системы видеонаблюдения, в условиях, когда необходимо обеспечить круглосуточное видеонаблюдение, не нарушая в то же время внешнее освещение объекта, и не изменяя его характерный световой рисунок. Архитектурная подсветка зданий, ландшафтное освещение, подсветка туристических достопримечательностей, территории гостиниц и офисных комплексов, рекламные объекты - все это примеры, когда проектировщики и инженеры специально создают световые решения, которые ночью могут быть важны настолько же, насколько важна сама архитектура объекта. Такая подсветка эффектно выглядит и создает отличное визуальное впечатление. В то же время она, как правило, абсолютно не подходит для нужд охранного видеонаблюдения. Неровный, часто окрашенный, иногда пульсирующий свет приводит к тому, что изображения недоэкспонированы, полны теней и пересвечены одновременно. Инфракрасная подсветка позволяет выйти из положения, обеспечив качественное видеонаблюдение ночью и не нарушая в то же время задумок архитектора.

3. Видеоаналитика

На быстро развивающуюся видеоаналитику возлагаются в настоящее время большие надежды. Видеоаналитика считается чуть ли не панацеей среди профессионалов индустрии безопасности. И тому есть веские причины. Известны исследования, которые показывают, что уже после двенадцати минут непрерывного наблюдения оператор системы видеонаблюдения пропускает до 45% событий. И до 95% активных событий будет пропущено оператором после 22 минут непрерывного видеонаблюдения.

Рис.4. Типовые задачи видеоаналитики

Чем больше камер вводится в эксплуатацию, тем более ощущается потребность в системах надежной, эффективной и не слишком дорогой видеоаналитики. Такие системы позволили бы обрабатывать видеоданные как в режиме реального времени, инициируя тревожные сообщения для оператора, так и оперативно осуществлять интеллектуальный поиск в больших видеоархивах, размеры которых растут опережающими темпами. Системы видеоаналитики используют в своей работе весьма сложные алгоритмы, позволяющие выявлять определенные классы событий, которые могут нести потенциальную угрозу для наблюдаемого объекта а так же детектировать неправильное или необычное поведения объектов в поле зрения камеры. Простейшим и наиболее известным примером такого алгоритма является датчик движения, когда любое движение в выбранной области поля зрения камеры вызывает тревожный сигнал. Возможности систем видеоаналитики растут быстрыми темпами вместе с вычислительной мощностью современных процессоров. Усовершенствуются алгоритмы, появляются все новые и новые классы выявляемых событий. Сейчас их уже десятки. Вот только некоторые из них:

• Пересечение границы
• Нахождение в зоне
• Оставленный предмет
• Удалённый предмет
• Следование маршруту
• Праздношатание
• Направление движения
• Классификация объектов
  И т.п

Последняя тенденция видеоаналитики - перемещение вычислительных функций от централизованных серверов непосредственно в камеры и кодеры. Современный уровень развития элементной базы позволяет это. Вычислительная мощность при этом равномерно распределяется по всей системе. Исчезает необходимость прокачивать качественное несжатое видео через всю сеть - ведь обработка ведётся там, где качество сигнала максимально - в самой камере. Такая система намного лучше масштабируется, не боится отказов.

В общем, видеоаналитика это динамично развивающаяся технология. Однако, как и любые алгоритмы обработки информации, алгоритмы видеоаналитики нуждаются в как можно более надежных, проверенных данных. Без достоверного сигнала на входе любая, самая сложная видеоаналитика, будет работать неадекватно, что может скомпрометировать всю систему и скорее ухудшает безопасность объекта, чем улучшит её. Алгоритмы видеоаналитики всегда работают лучше, имея на входе качественное изображение, что подразумевает высокий уровень видеосигнала и хорошее отношение сигнал/шум. Как ориентир, часто указывается, что отношение сигнал/шум должно быть не хуже, чем 50 Дб. Это подразумевает, что объект наблюдения должен быть хорошо освещен. Здесь опять пригодится качественная подсветка.

Инфракрасная подсветка даёт возможность использовать видеоаналитику в темное время суток. С ее помощью можно осветить объект наблюдения, исключив использование темных, шумных изображений, которые и являются теми самыми плохими данными на входе системы и не позволяют ей выполнять свои функции в полной мере, снижая эффективность работы алгоритмов видеоаналитики. Правильно подобранная инфракрасная подсветка позволяет существенно улучшить отношение сигнал/шум, что позволяет системам видеоаналитики оперировать более качественными, достоверными данными и выполнять возложенные на них функции.

Аналогично, функции, основанные на обработке видеосигнала и широко используемые в таких устройствах, как: видеорегистраторы (DVR), сетевые видеорегистраторы (NVR), программное обеспечение видеонаблюдения VMS, являясь по своей сути простейшей видеоаналитикой, тоже плохо работают в условиях недостаточной освещенности. Такие функции, как: датчик движения, запись событий по движению, поиск в архиве событий по движению и т.п., - все они для правильной работы требуют изображения с хорошим отношением сигнал/шум.

Все они тоже нуждаются в качественной информации на входе, и будут работать оптимально при использовании инфракрасной подсветки.

4. Полоса пропускания и дисковые массивы

Ключевым фактором при построении современных систем цифрового видеонаблюдения является вопрос построения сети передачи данных. Особенно важными параметрами, влияющими на характеристики будущей системы, являются полоса пропускания сети и размеры дискового хранилища для видеоархива. В большинстве случаев, сталкиваясь с чисто экономическими ограничениями на размеры дисковых хранилищ, приходится жертвовать качеством записи: уменьшать частоту кадров, увеличивать степень сжатия, снижать разрешение. Это, конечно, негативно влияет на качество записи. Критические события могут быть пропущены или записаны неудовлетворительно, то есть основная функция системы видеонаблюдения, ради которой все и строится, не выполняется. В критически важных приложениях такого рода компромиссы допускаться не должны. Существует другой путь снижения требований как к полосе пропускания сети, так и к размерам дисковых массивов - использование инфракрасной подсветки.

Рис.5. Иллюстрация эффективности применения ИК-подсветки для снижения трафика в сетях передачи данных цифрового видеонаблюдения

Одним из основных факторов увеличения размера кадра является повышенный уровень шума видео при недостаточном освещении. Такие записи требуют в среднем на 20% большей полосы пропускания сети и на столько же больше места на диске, чем записи правильно, равномерно освещенной картинки. Видеосигнал таких изображений содержит больше высокочастотных составляющих, которые воспринимаются кодером, как движение. Они также хуже сжимаются. Более того, шум часто является источником ложных срабатываний видеодетекторов движения, по которым, как правило, изменяются параметры записи. Предполагается, что качество записи по тревожным событиям должно быть максимально хорошим. В результате, записывается существенно больший объем бесполезной информации, содержащей только шум. Этих проблем можно избежать, обеспечив достаточный уровень подсветки объекта наблюдения в темное время суток.

5. Мегапиксельные камеры

Мегапиксельные камеры отличаются от обычных CCTV-камер более высокой разрешающей способностью и более широким полем зрения. При этом геометрические размеры элемента изображения - пикселя - становятся меньше, что ухудшает чувствительность такой матрицы по сравнению с матрицей CCTV-камеры стандартного разрешения, при прочих равных условиях. Поэтому все соображения, приведенные выше для камер стандартного разрешения ещё более актуальны в этом случае, а применение инфракрасной подсветки при использовании мегапиксельных камер особенно оправданно.

Заключение

Итак, в условиях перехода на системы цифрового видеонаблюдения значение инфракрасной подсветки не только не уменьшается, но наоборот, её применение становится всё более важным. Качественные современные инфракрасные светодиодные прожекторы позволяют облегчить решение сложных технических задач построения IP систем: снизить трафик в сетях передачи данных; уменьшить объём видеоархива; улучшают работу видеоаналитики, снижая вероятность ложных тревог.