Mitos y realidad de la videovigilancia nocturna
CHURA Nikolay Iosifovich
MITOS Y REALIDAD DE LA VIDEOVIGILANCIA NOCTURNA
El uso bastante frecuente de iluminación infrarroja en la videovigilancia de los sistemas de seguridad y en el modo de videovigilancia nocturna en las cámaras de televisión domésticas ha creado el mito de que la vigilancia nocturna en el rango del infrarrojo cercano es más eficaz.
Varios clientes de sistemas de videovigilancia tienen una fuerte opinión sobre algún tipo de “vigilancia” especial de las cámaras de televisión en este modo.
Los fabricantes de iluminadores IR hicieron una contribución significativa a la creación de esta idea errónea, declarando largos alcances con potencia de emisor insignificante, y sin especificar la sensibilidad requerida de las cámaras de televisión.
El desarrollo por parte de SONY de la tecnología para la fabricación de matrices CCD EXview y su uso generalizado en equipos de vídeo tanto especiales como domésticos dio lugar a una serie de publicaciones y promesas publicitarias sobre las capacidades «fenomenales» de dichos equipos en modo nocturno para ver casi en su totalidad. oscuridad con poca transparencia del entorno (atmósfera) y casi a través de la ropa y otros obstáculos.
Y todo esto gracias a una mayor sensibilidad en la región del infrarrojo cercano de 6 a 8 dB.
Funcionalmente, cámaras de televisión similares en condiciones nocturnas se equiparan casi a sistemas de imágenes térmicas.
En este caso, existe confusión en los principios de adquisición de imágenes.
En el rango del infrarrojo cercano, la cámara utiliza la radiación reflejada por el objeto y el fondo.
Mientras que la termografía se basa en registrar la radiación propia del entorno y de los objetos, debido a su temperatura. Se implementa en los rangos de 3 – 5 y 8 – 13 micrones debido a la presencia de dispositivos receptores efectivos y ventanas de transparencia en la atmósfera.
Sin embargo, en el rango de infrarrojo cercano , en cuyo límite las cámaras EXview son relativamente efectivas, existe una ausencia casi total de la propia radiación de los objetos ubicados a una temperatura que no supera varios cientos de grados.
Por esta razón, la observación de objetos registrando su propia radiación en este rango, y más aún detrás de algún tipo de obstáculos, absolutamente imposible.
La llegada de las cámaras EXview ha dado un nuevo impulso a la promesa de resultados sorprendentes en el rango de visión, la claridad de la imagen y el contraste utilizando iluminación IR.
Estas declaraciones se explican con fines publicitarios y son objetivamente comprensibles. , a pesar de lo dudoso de tal práctica .
Aparentemente, basándose en esto, algunos consumidores han formado la opinión de que es preferible utilizar ampliamente iluminadores IR para videovigilancia en condiciones nocturnas.
Hasta ahora, la videovigilancia doméstica utilizaba principalmente cámaras de televisión en blanco y negro.
Esto se debía al coste significativamente mayor de todos los equipos para obtener imágenes en color.
El uso cada vez más extendido de sistemas informáticos y de procesamiento y grabación digitales, que funcionan en todas partes con señales de vídeo en color, conducirá muy probablemente en un futuro próximo a una reorientación hacia las cámaras de televisión en color, a pesar de su menor sensibilidad y resolución.
Para sistemas informáticos accesibles y económicos, la presencia de información de color compensa en cierta medida las tradicionales deficiencias de resolución y contraste de la imagen.
A su vez, se estimula este mismo proceso. por la aparición de cámaras en color de alta sensibilidad a precios asequibles e incluso modificaciones con modo día/noche.
Las cámaras de televisión con matrices CCD EXview, en comparación con las estándar, tienen una mayor sensibilidad y una mayor resistencia a las «manchas» e «inundaciones» de la imagen provenientes de fuentes de brillo extremo en su campo de visión.
Se logró su mayor sensibilidad, incluso debido al desplazamiento del máximo espectral de la característica hacia el máximo espectral (0,9 — 1,0 μm) del material de la matriz: el silicio.
La Figura 1 muestra las características espectrales de las matrices CCD de alta resolución ICX409AL de tecnología Super HAD (I) e ICX259AL de tecnología Exview HAD (II) fabricadas por SONY.
Valores absolutos de los máximos de sensibilidad se reducen a una sola escala
De las características se desprende claramente que un cambio en la sensibilidad máxima de 50 a 60 nm condujo a un aumento relativo de la sensibilidad en las principales longitudes de onda. de iluminadores IR: 880 nm de 13 — 15 a 23 — 25% y 940 – 950 nm de 7 – 8 a 10 – 12% del máximo. Dado el aumento general de la sensibilidad, estas cámaras son ciertamente más eficientes cuando utilizan iluminación IR.
Pero al mismo tiempo, no hay razón para esperar una visibilidad “diferente” con luz natural al anochecer y en condiciones nocturnas.
Además, el cambio en la máxima sensibilidad espectral en la dirección de naranja y rojo, para una versión en blanco y negro de la cámara, está plagada de algún cambio en el brillo relativo de los componentes de color y una ligera disminución en el contraste general de la imagen, incluso con iluminación blanca.
Para ilustrar este efecto, la foto 1 muestra imágenes en blanco y negro de la escala de colores estándar PAL de la tabla de medidas, obtenidas utilizando cámaras de televisión en blanco y negro con matrices Super HAD (1), Exview HAD (2).
La disminución del contraste es especialmente notable en los límites entre los campos blanco-amarillo y rojo-magenta.
Las diferencias en el brillo equivalente de los fragmentos de color proporcionan un ligero aumento en el contraste de una imagen en blanco y negro bajo iluminación «blanca» visible debido a la desigualdad de las características espectrales típicas de las cámaras de televisión en blanco y negro, que son casi idéntica a la curva de visibilidad ocular que se muestra en la Fig. 2.
Fig. 1.
Fig. 2.
Foto 1.
En general, la iluminación natural en condiciones nocturnas y crepusculares está formada por la radiación solar dispersada en la atmósfera, la radiación reflejada e intrínseca de la luna, los planetas y la radiación intrínseca de la atmósfera, la superficie terrestre y las estrellas.
La distribución espectral de la radiación solar fuera de la atmósfera es casi idéntica a la distribución de la radiación de un cuerpo completamente negro con una temperatura de 6000 K.
Aproximadamente el 50% se emite en la región infrarroja del espectro, 40% en la región visible y 10% en las regiones ultravioleta y de rayos X.
Cuando la radiación atraviesa la atmósfera, es absorbida y dispersada por sus componentes, como Como resultado, el rango espectral de la radiación se reduce a 0,3 — 3,0 micrones.
La potencia y la composición espectral de la radiación transmitida dependen en gran medida de la altitud del sol y del estado de la atmósfera. .
En la figura. La Figura 3 muestra la composición espectral de la radiación de un cuerpo completamente negro con una temperatura de 6000 K (1) y la radiación solar fuera de la atmósfera (2) y en la superficie de la Tierra (3).
Con una disminución de la altura del sol y un aumento de la atmósfera translúcida y el componente de dispersión, la proporción de radiación IR aumenta del 50 al 79%.
Debido a los cambios en la composición espectral durante la iluminación del atardecer y el crepúsculo temprano, se puede esperar que la iluminación real de las cámaras de televisión con un corte IR extendido, en una primera aproximación, sea algo mayor que la de una matriz con una característica espectral estándar.
Fig. 3
La radiación de la Luna se compone de su propia radiación solar y la reflejada.
La Luna irradia como un cuerpo absolutamente negro, calentado a una temperatura de 400 K con un máximo espectral en la región de 7,2 μm.
La reflectancia espectral de la superficie lunar aumenta al aumentar la longitud de onda, lo que desplaza ligeramente el máximo espectral de la radiación reflejada a la región de onda larga.
Generalmente se acepta que la densidad máxima de radiación total de la Luna corresponde a una longitud de onda de 0,64 micrones.
Cambios en la iluminación integral de la superficie terrestre durante la noche en ausencia de nubes en diferentes fases de la luna se dan en la tabla. 1.
Tabla 1
| Días antes y después de la luna llena | Ángulo de fase, grados. | Iluminancia, lux |
| Luna llena | 0 | 0,377 |
| ± 1 día | ± 12 | 0.282 |
| ± 2 días | ± 24 | 0.2 |
| ± 3 días | ± 37 | 0,12 |
| ± 7 días | ± 85 | 0.04 |
Teniendo en cuenta la nubosidad, la iluminación puede disminuir en más que en un orden de magnitud, pero sin un cambio significativo en la composición espectral. La nubosidad afecta de manera similar a fuentes naturales como las estrellas y los planetas.
La composición espectral de la radiación reflejada por la luna, a pesar de un ligero desplazamiento hacia la región roja, no proporciona una mejora significativa en la iluminación en la región del infrarrojo cercano, incluso para las matrices con tecnología EXview.
En presencia de la Luna, no tiene sentido considerar otras fuentes debido a su contribución menor.
La iluminación de la superficie terrestre en las noches sin luna consiste en la radiación propia y reflejada de los planetas del sistema solar con máximos de iluminación de energía espectral de 5 μm (Júpiter) a 20 μm (Saturno) para su propia radiación y 0,5 μm para la reflejada. radiación solar.
La densidad de radiación espectral máxima de la mayoría de las estrellas más brillantes se encuentra en el rango de 0,5 a 1,0 micrones. Sin embargo, con una iluminación integral de no más de 5×10-5 lux para videovigilancia, este componente puede ignorarse.
La densidad espectral máxima de la radiación solar dispersada por la atmósfera se observa en la región de 0,5 micrones, con su propia radiación en la región de 10 micrones.
Es decir, el cielo entre nubes continuas irradia como un cuerpo absolutamente negro (ABB) con una temperatura igual a la del entorno con una precisión de varios grados.
Con luz natural en noches sin luna , las cámaras de televisión son prácticamente inoperables, a excepción de las especiales de alta sensibilidad, los sistemas con almacenamiento o convertidores electrón-ópticos.
De lo anterior, podemos concluir que las cámaras con matrices Exview se benefician de su mayor sensibilidad integral cuando se usan de noche con luz natural.
El desplazamiento del máximo espectral de sensibilidad hacia el cercano- El rango de infrarrojos proporciona una eficiencia ligeramente mayor solo bajo iluminación artificial con lámparas incandescentes e iluminadores de infrarrojos.
Cabe destacar que las lámparas incandescentes tienen una potencia máxima emitida a una longitud de onda de aproximadamente 1 micrón.
Además, para cualquier cámara de televisión, es más preferible la iluminación visible “blanca”.
Esto garantiza la máxima sensibilidad y el máximo contraste de la imagen.
Esto Esto es aún más cierto cuando se utilizan cámaras en color de alta sensibilidad con modo día/noche.
En este caso, con suficiente iluminación, existe la posibilidad de cambiar al modo de color.
Especialmente en caso de utilizar cámaras a color con matrices Exview.
Cuando se realiza videovigilancia nocturna en completa oscuridad utilizando iluminación IR, es necesario tener en cuenta algunas características causadas por el funcionamiento de la cámara en una región espectral bastante estrecha del rango de infrarrojo cercano, prácticamente determinada por la banda espectral del iluminador.
Las características reflectantes de diversos materiales en la región del infrarrojo cercano y en el rango visible son muy cercanas, por lo que la naturaleza general de la imagen prácticamente repite la imagen en el rango visible.
Además, no hay razón para esperar una “visión penetrante” especial a través de los medios y materiales. Por otro lado, hay una disminución general en el contraste de la imagen como ocurre con cualquier iluminación monocromática.
Los iluminadores IR en este caso pueden considerarse fuentes muy monocromáticas, especialmente con emisores semiconductores. Un efecto similar de contraste reducido en la iluminación monocromática también es característico del ojo. Cualquier espectador que haya asistido a eventos de espectáculos utilizando iluminación de colores está familiarizado con ella.
Cuando se trabaja simultáneamente en los rangos visible e infrarrojo cercano, se espera una ligera disminución en la claridad de la imagen debido a los cambios en el enfoque de la lente en diferentes longitudes de onda de la radiación utilizada.
En igualdad de condiciones, este efecto es más notable cuando se utilizan ópticas de plástico baratas. Para compensar estas distorsiones, puede utilizar el enfoque de lente manual o automático para diferentes modos. En el caso de utilizar una cámara de televisión en blanco y negro con cierta reserva de sensibilidad, es posible utilizar un filtro para aislar sólo la radiación IR y enfocarla.
Este problema puede solucionarse radicalmente mediante el uso de ópticas de espejo o corregidas de banda ancha. Sin embargo, esto es demasiado caro.
Otra razón para el deterioro de la claridad de la imagen en el rango de infrarrojos, incluso con iluminación IR de noche, se debe a la comparabilidad de las dimensiones geométricas del elemento de resolución matricial con el límite de difracción de la óptica utilizada para esta longitud de onda.
El formato principal de matrices utilizado actualmente es 1/3 de pulgada.
Las dimensiones de un elemento sensible (píxel) en las matrices en blanco y negro producidas por SONY son 9,8 x6,3 micras para matrices de resolución estándar (500×582 pix) y 6,5×6,25 micras para matrices de alta resolución (752×582 pix).
Las lentes típicas utilizadas para cámaras de vigilancia tienen aperturas de entrada relativamente pequeñas. Esto se aplica especialmente a las lentes integradas de las cámaras de televisión en miniatura.
En este caso, incluso las dimensiones teóricas del punto focal según el primer mínimo de difracción (círculo de Airy) resultan ser comparables a las dimensiones en píxeles, y para lentes de enfoque largo pueden superarlas.
Hay que tener en cuenta que las dimensiones reales del punto focal, dependiendo de la calidad de la óptica, puede ser 2 — 3 veces mayor que los valores calculados.
Por ejemplo, para una lente incorporada con una distancia focal de 16 mm, el valor del punto focal calculado en el rango visible (0,5 μm) será de aproximadamente 4 μm.
Cuando se utiliza Para un iluminador IR con una longitud de onda de 940 nm, para una visibilidad mínima para el ojo, el valor calculado del punto focal será de aproximadamente 7,4 µm, es decir. comparables a los tamaños de píxeles incluso para una cámara de televisión de resolución normal.
La situación será aún peor cuando se utilicen cámaras de televisión con matrices del tipo ? pulgadas, donde las dimensiones de los píxeles ya son 4,85×4,65 μm.
En este sentido, para la videovigilancia encubierta en el rango de infrarrojos cercano, es aconsejable utilizar ópticas de mayor apertura. .
Esto no solo logrará la máxima sensibilidad, sino que también garantizará tamaños mínimos de puntos focales que no limiten la resolución de la cámara incluso para trabajar en la región del espectro infrarrojo cercano. .
En conclusión, se puede afirmar que para la videovigilancia ordinaria, tanto con iluminación natural como artificial, el rango del infrarrojo cercano no tiene ninguna ventaja sobre la región visible del espectro.
Además, la sensibilidad, la claridad y el contraste alcanzables son significativamente inferiores a características similares en el rango visible.
La videovigilancia en el rango de infrarrojos es inevitable sólo para la vigilancia encubierta durante la noche y otros casos en los que la el uso de iluminación visible no es deseable.
En este caso, por supuesto, es necesario utilizar iluminadores de infrarrojos, uno de cuyos principales requisitos es la invisibilidad tanto de la radiación como del propio emisor.
Con las cámaras de televisión en color de distribución con modo día/noche, ha aparecido la posibilidad de videovigilancia nocturna encubierta en sistemas de imagen en color.
En cualquier caso, el uso del IR El alcance de la videovigilancia es aconsejable sólo para resolver problemas especiales.
Sólo en este caso, las deficiencias genéricas del método, algunas de las cuales se enumeran anteriormente, no le llevarán a decepcionarse.
Referencias
1. Kulikov A.N. Vigilancia televisiva en condiciones difíciles.//“Equipos especiales”, 2000, núm. 5, p. 13 – 19.
2. Kriksunov L.Z. Manual de conceptos básicos de la tecnología infrarroja. M.1978.
3. Sitio web de la empresa SONY, sony
4. Chura N.I. Iluminación IR para vigilancia por televisión.//“Equipo especial” 2000, No. 1, p. 35 – 39.