1. Статьи
2. Системы видеонаблюдения
3. Искусственное освещение в системах теленаблюдения

Волхонский Владимир Владимирович, Национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

Известно, что одним из основных недостатков системы телевизионного (СТВН) является сильная зависимость формируемого видеоизображения от освещенности.

Освещенность объектов, на которых осуществляется те левизионное наблюдение, может меняться в весьма широких пределах. И если в помещениях диапазон ее изменения сравнительно невелик и достаточно легко может поддерживаться уровень, необходимый для формирования видеоизображения требуемого качества, то вне помещений освещенность очень сильно меняется в зависимости от времени суток, года, погоды и т.д. Так, в солнечный зимний день освещенность может превышать 105 лк, а в пасмурную погоду это будет уже порядка тысяч люкс, ночью же — от единиц до тысячных долей люкс и менее. Таким образом, диапазон изменения освещенности превышает 109.

Рассмотрим некоторые особенности организации искусственного освещения или, как еще называют, подсветки. При этом оставим в стороне расчеты потребляемой мощности, а остановимс на правильном выборе места установки осветительных приборов, их диаграмме направленности и других важных параметрах и характеристиках.

Основная задача СТВН — сформировать видеоизображение с определенными параметрами, обеспечивающими качество, приемлемое для решения конкретной задачи наблюдения: мониторинг, обнаружение, наблюдение, распознавание, идентификация, инспектирование [1]. А для этого необходим определенный уровень освещенности зоны наблюдения. Чтобы оценить особенности организации искусственного освещения, сформулируем сначала критерии, которым подсветка должна соответствовать,и возможные ограничения.

Критерии

Критерии, которым должно соответствовать освещение зоны наблюдения, при разных задачах и в различных условиях могут существенно отличаться.

Прежде чем их сформулировать, уточним два понятия.

Первое — это зона эффективного обзора (ЗЭО) — часть пространства, ограниченная углами обзора телекамеры, а по дальности — требуемой плотностью пикселей. Зона обзора включает в себя совокупность подстилающей поверхности, строений и сооружений, находящихся в зоне обзора, растений (деревья и кусты) и объектов наблюдения (люди, транспорт, животные, птицы и т.д.). Второй термин — зона искусственного освещения или подсветки (ЗП). Это та часть объекта (совокупность пространства, подстилающей поверхности, строений и сооружений, находящихся в зоне эффективного обзора, растений и объектов наблюдения), на которой создается определенный уровень искусственного освещения, необходимый для формирования видеоизображения требуемого качества. Будем рассматривать освещенность на объекте наблюдения, а нена матрице телекамеры.

С учетом этих понятий можно сформулировать следующие основные критерии обеспечения искусственного освещениязоны наблюдения.

1. Совпадение по форме зон искусственного освещения и наблюдения.

2. Равномерность освещения по зоне наблюдения.

3. Соответствие спектральных характеристик устройств подсветки естественному освещению.

4. Целесообразность использования «невидимого» (для человеческого глаза) освещения.

5. Возможность и приемлемость использования искусственного освещения, не только для системы ТВ-наблюдения, но и для сил реагирования, а также сотрудников или жителей объекта.

6. Не направленность светильников на телекамеру.

7. Энергетическая эффективность. Отметим также, что, с одной стороны, требуемая освещенность зависит, прежде всего, от такого параметра телекамеры, как ее чувствительность. А с другой стороны, знание того, какую освещенность обеспечивают соответствующие устройства, может позволить выбрать телекамеру с требуемой чувствительностью. Иными словами, задача двоякая — можно либо создать необходимую освещенность под имеющиеся или выбранные телекамеры, либо, зная возможную освещенность, выбрать соответствующие телекамеры. И, конечно, возможно комбинированное решение.

Отличия искусственного и естественного освещения

Основным отличием естественного освещения от искусственного является достаточно высокая степень равномерности освещенности по зоне наблюдения. Вне помещений освещенность E обычно близка к равномерной (рис. 1).

Рис. 1. Естественная освещенность

Некоторая неравномерность может быть вызвана, как правило, тенями от различных объектов, а также погодными явлениями (рис. 2), например, облачностью.

Рис. 2. Теневые зоны

Во многих случаях проблемы такой неравномерности решаются достаточно просто стандартными возможностями телекамер (объектив с автодиафрагмой и электронный затвор), а также дополнительными функциональными возможностями, такими как широкий динамический диапазон, компенсация ярких источников и др.

Создание требуемых условий освещенности проще всего достигается использованием нескольких источников подсветки, распределенных по зоне наблюдения (рис. 3). На этом рисунке и в дальнейшем длина стрелок характеризует форму диаграммы направленности.

Рис. 3. Использование нескольких источников подсветки

Отметим несколько преимуществ этого способа.
- Достаточно высокая равномерность освещения.
- Легко избежать засветки камеры.
- Освещение удобное и для служб реагирования, и для пользователей объекта, в случае использования источников видимого спектрального диапазона.

Спектральные диапазоны устройст в освещения

Для нормальной работоспособности телекамер необходимо обеспечить требуемый уровень освещенности. Это может достигаться использованием устройств подсветки двух основных спектральных диапазонов:
- устройств освещения (ламп и светодиодов разного типа) видимого оптического диапазона;
- устройств подсветки «невидимого» оптического диапазона (ближнего инфракрасного).

Заметим, что выбор упомянутых диапазонов подсветки может определить и выбор способа охраны с организационной точки зрения (организовать наблюдение, незаметное для нарушителя). Однако необходимо учитывать, что кроме телевизионного наблюдения необходимо обеспечить еще и реагирование. А для этого нужно освещение уже приемлемое для людей, чтобы не оснащать дежурную группу приборами ночного видения. Хотя возможно использование и дополнительных светильников, устанавливаемых для обеспечения работы групп реагирования, в том числевключаемых по тревоге.

Выбор типа осветительных приборов также достаточно важен и с точки зрения соответствия спектральных характеристик устройств подсветки естественному освещению. Так, если ТВ-система формирует монохромное изображение (или используются камеры типа день/ночь, работающие при низкой освещенности в монохромном режиме), то можно в меньшей степени учитывать спектральные характеристики осветительных приборов ииспользовать менее мощные устройства.

Если же требуется формировать цветное изображение — то спектральные характеристики устройств освещения должны максимально соответствовать естественному освещению для сохранения правильной цветопередачи.

Нужно учесть также, что освещение, приемлемое для формирования изображения, пригодного для восприятия оператором, может оказаться недостаточнымдля нормальной работы систем видеоаналитики.

Диаграммы направленности

Следующий важный аспект выбора устройств подсветки связан с формой диаграммы направленности осветительного прибора. Обусловлено это следующими основными причинами:
- необходимостью соответствия форм зон обзора и подсветки;
- требованиями энергетической эффективности;
- требованием равномерности создаваемой искусственной освещенности по всей зоне наблюдения.

Использование малонаправленных источников приводит к сложностям в выполнении перечисленных выше критериев выбора диаграммы направленности. В этом случае значительная часть светового потока источника будет освещать части объекта, не входящие в зону обзора (рис. 4), и с точки зрения использования потребляемой мощности эффективностьбудет мала.

Рис. 4. Малонаправленныйисточник подсветки

Сужение диаграммы направленности и бОльшая степень совпадения форм диаграммы направленности источника подсветки и зоны наблюдения (рис. 5) увеличивает КПД использования осветительных приборов.

Рис. 5. Направленныйисточник подсветки

Использование специальных форм диаграмм направленности, учитывающих зависимость ослабления светового потока с увеличением расстояния (рис. 6), ещев большей степени улучшает ситуацию.

Рис. 6. Источник подсветки со специальнойдиаграммой направленности

Повысить равномерность освещенности, даже при использовании малонаправленного осветительного прибора, позволяет смещение источника подсветки всторону от телекамеры (рис. 7а).

К аналогичному эффекту приводит и одновременное смещение как камеры, таки осветительного прибора, проиллюстрированное на рисунках 7б и 7в [2] с одновременным увеличением угла наклона камеры (для сохранения положения зоныобзора). Однако такое решение применимо, в основном, для задач обнаруженияи мониторинга, так как формирует изображение объектов наблюдения сверху.А это приводит к уменьшению информативности изображений этих объектов.

Рис. 7. Смещение источника подсветки

Необходимо заметить, что важно учитывать форму диаграммы направленности не только в вертикальной плоскости, как показано на рисунках 4–6, но и в горизонтальной. На рисунке 8 проиллюстрировано сечение диаграммы направленности в горизонтальной плоскости для малонаправленного устройства подсветки, а нарисунке 9 — для направленного.

Рис. 8. Источник малонаправленныйв горизонтальной плоскости

Очевидно, что во втором случае (рис. 9) энергетическая эффективность устройства подсветки будет выше, поскольку выполняется первый из упомянутых выше критериев (совпадение по форме зон освещения и наблюдения). А для выполнения второго критерия (равномерность освещения по зоне) необходимо оптимизировать диаграмму направленности в вертикальной плоскости. Например, какпоказано на рисунке 6.

Рис. 9. Источник направленныйв горизонтальной плоскости

Расположение устройств подсветки

Cуществует два способа установки устройств подсветки, использующие:
- отдельные устройства, конструктивно не связанные с телекамерой (рис. 11б);
- совмещенные с телекамерой устройства.

В свою очередь в последнем случае могут быть два варианта:
- телекамера и устройство подсветки конструктивно объединены в одном корпусе (рис. 10);
- телекамера и устройство подсветки имеют отдельные корпуса, конструктивно установленные рядом на одной платформе (рис. 11а).

Рис. 10. Светодиоды подсветки, установленные на телекамере

Рис. 11. Устройства подсветки

Устройства подсветки, совмещенные с камерой

Обычно в таком случае светодиоды подсветки устанавливаются вокруг объектива (рис. 10 а) [3–4]. Это один из наиболее популярных и удобных способов организации подсветки (рис. 10 б–г).

Телекамера и устройство подсветки на однойплатформе

Такое решение встречается достаточно редко и используется, как правило, для управляемых телекамер с трансфокаторами и телекамер, устанавливаемых на поворотных платформах.

Самостоятельные устройства

Достаточно широко распространенный метод — использование отдельных самостоятельных устройств подсветки, не связанных конструктивно с телекамерой, например, специальные ИК прожекторы.

Основным преимуществом такого решения по сравнению с предыдущими, является возможность устанавливать телекамеру и устройство подсветки независимо друг от друга. Остановимся подробно на этой особенности.

Место установки устройств подсветки

На предыдущих рисунках устройства подсветки располагались как непосредственно рядом с телекамерой (что является аналогом подсветки непосредственно на телекамере), так и отдельно, на некотором удалении. Эти способы имеют свои особенности практического применения.

Устройство подсветки, совмещенноес телекамерой

Такой способ установки позволяет легко выполнить критерий отсутствия засветки телекамеры — т.е. организовать одностороннее освещение со стороны телекамеры.

Это полностью справедливо для телекамер со встроенной подсветкой, а также в ситуациях, когда она располагается непосредственно рядом с камерой (рис. 4–6) или на одной платформес ней (рис. 11а).

Однако, при использовании телекамер на улице могут возникать проблемы. Рассмотрим некоторые из них.

Наличие каких-либо объектов или предметов, как стационарных, так и перемещающихся по зоне наблюдения, вблизи телекамеры в пределах зоны обзора (например, веток деревьев, конструктивных элементов строений, объектов наблюдения и т.п.), даже не перекрывающих зону наблюдения, приведет к появлению в кадре ярко освещенного предмета. Как следствие, автоматические регулировки камеры уменьшат диафрагму и/или увеличат скорость электронного затвора, что приведет к затемнению другой части видеоизображения (рис. 12).

Рис. 12. Влияние близко расположенных предметов

На рисунке 12б показано видеоизображение с ярко подсвеченными ветками кустов. Это приводит, как отмечалось выше, к затемнению левой части изображения, в которой находится человек. Изображение на рисунке 12в, полученное с помощью тепловизора, доказывает сказанное.

Проблемы создают и атмосферные явления. Осадки (снег, дождь, туман) могут вызывать существенное снижение качества видеоизображения сами по себе. Однако при использовании некоторых способов подсветки проблема может усугубляться. Это относится, во-первых, к встроенным в телекамеру устройствам подсветки, во-вторых, при расположении устройства подсветки рядом с телекамерой. Рисунок 13а иллюстрируют возникающую проблему на примере устройства подсветки, расположенной вблизителекамеры.

Находящиеся вблизи телекамеры капли дождя и тумана или снежинки будут ярко освещены. Значительная часть светового потока устройства подсветки будет отражаться на телекамеру. В результате, на видеоизображении — яркое пятно во весь экран, и в самой зоне наблюдения практически ничего не видно. Это эффект аналогичен включению фар автомашины особенно дальнего света) в туман или сильный дождь. Видимостьобычно становится только хуже.

Некоторого улучшения можно ожидать при расположении устройства подсветки на удалении от телекамеры (рис. 13б).

Поэтому в ряде случаев целесообразнее использовать не телекамеру со встроенной подстветкой (как и в ситуации со встроенным микрофоном), а располагать отдельное устройство подсветки в месте, оптимизированном с точки зрения обеспечения равномерности освещенности.

Отметим, что для телекамер, используемых в помещениях, эта проблема не стоит.

Рис. 13. Влияние осадков

Адаптивная подсветка

Чрезмерная засветка вблизи расположенных объектов наблюдения приводит также и к ухудшению качества изображения этих объектов: теряются полутени, изображение становится «плоским». Для устранения этого недостатка все шире используется так называемая адаптивная подсветка. Например, предлагаемая некоторыми производителями адаптивная подсветка снижает уровень освещенности (рис. 14), если вблизи телекамеры появился объект наблюдения [2]. Это делается для того, чтобы избежать чрезмерной засветки объекта, находящегося вблизи камеры и источника подсветки.

Однако надо понимать, что при этом падает освещенность в дальней зоне (рис. 14в) и возможен пропуск другогообъекта, находящегося там.

Рис. 14. Адаптивная подсветка

В настоящее время принципиально используются несколько способов адаптации устройств подсветки к условиям наблюдения путем регулировки формы и параметров диаграммы направленности устройства подсветки.

Во-первых, изменением интенсивности свечения всех или части источников оптического излучения, входящих в состав осветительного прибора. Например, обычно используемых светодиодов (рис. 15а). На этом рисунке светодиоды для простоты показаны на одном расстоянии друг от друга в поперечном сечении, в то время как в реальности их изображение будет соответствовать рисунку 10а.

Во-вторых, переключением или отключением части источников оптического излучения (рис. 15б), которые, к примеру, могут быть установлены под разными углами (рис. 15в), что дает дополнительные возможности по регулировке формы диаграммы направленности.

В-третьих, использованием специальной оптической системы с регулируемым фокусным расстоянием. Такой способ конечно наиболее эффективный, но и дорогой.

Реально адаптация обычно требует изменения интенсивности освещения только части зоны, например, в которой появился близко расположенный объект, для того чтобы не происходило уменьшение освещенности дальней части зоны наблюдения. Однако это практически не реализуемо, по крайней мере, при использовании одного источника подсветки.

В статье были рассмотрены лишь некоторые аспекты задачи подсветки. На практике нужно, конечно, учитывать и потребляемую мощность, и то, что система освещения как элемент системы безопасности должна иметь резервное электропитание, и ряд других моментов.

Рис. 15. Способы регулировки диаграммынаправленности

Литература

1. Волхонский В. В. Основы проектирования систем телевизионного наблюдения. СПб.: Политехника-принт, 2018.
2. https://www.axis.com/technologies/optimized-ir
3. https://bolid.ru/production/cctv/network_camera.html
4. https://www.dahuasecurity.com

Информация и фото с https://algoritm.org/arch/arch.php?id=93&a=2273