Современные тенденции развития и применения инфракрасной подсветки в камерах видеонаблюдения.

Неплохо было бы человеку видеть ночью так же хорошо, как и днем. Однако эта идея по утопичности может посоревноваться разве что с возможностью отрастить крылья. Точно так же создание камеры, дающей ночью такую же цветную и яркую картинку, как и днем, ос-тается мечтой разработчиков и потребителей. Казалось бы, технологии не стоят на месте и такая на первый взгляд не самая большая проблема должна быть разрешена, но нет, качество ночного изображения даже сравниться не может с картинкой, которую камеры дают днем. Возможно ли получение изображение с камеры в кромешной ночной тьме? Попробуем разобраться.
Первое, что приходит в голову, – осветить наблюдаемый объект искусственным светом, например, газоразрядными лампами. А если объект имеет линейные размеры 100–200 м или площадь порядка 2000 м2? Нетрудно прикинуть, что такое предприятие обойдется недешево. Есть ли другие способы? Есть: использовать приборы инфракрасной подсветки. При этом можно убить сразу двух зайцев: снизить потенциальные затраты, сэко-номив на проведении освещения, расходах электроэнергии, и не создавать лишнего света, которого так боятся в последнее время в Европе борцы со световым загрязнением среды.
Суть ИК-подсветки состоит в том, чтобы осветить наблюдаемый объект в темное время суток источником инфракрасного излучения. Инфракрас-ное излучение не видно человеческому глазу, однако прекрасно фиксируется телекамерами. При этом выбираются такие длины волн, чтобы спектр излучения находился в ближней инфракрасной зоне (длина волны порядка 800–1000 нм: так называемый ближний ИК-диапазон), где чув-ствительность матрицы еще достаточна для получения монохромного изображения. Чувствительность камеры к ближнему инфракрасному излу-чению и обеспечивает возможность применения ИК-подсветки (рис. 1).

Рис. 1
Спектральная чувствительность ПЗС-матриц характеризует зависимость чувствительности матрицы от длины волны принимаемого излучения. По сравнению с человеческим глазом спектральная чувствительность большинства камер, как правило, более широкая и простирается в инфракрас-ный диапазон до длин волн порядка 1000 нм, если при производстве матриц не применяются специальные фильтры. Таким образом, в отличие от глаза, спектральная чувствительность которого ограничена видимым диапазоном излучения, камера за счет своего принципиально иного устрой-ства способна регистрировать еще и ближний диапазон ИК-излучения. На рисунке 2 можно увидеть разницу между спектральной чувствительно-стью EXviewHAD матрицы и обычной «не-EXview». Хорошо видно, что чувствительность EXviewHAD матрицы в ИК-области начиная с 740 нм в два раза выше, чем у обычной. Другими словами, в темноте при освещении ИК-светом одной и той же интенсивности картинка HAD-матрицы бу-дет намного более детальной и содержать меньше шумов, и, наоборот, одинаковое качество картинки будет достигаться при в два раза меньшей освещенности объекта перед HAD-матрицей.

Рис. 2 Спектральная чувствительность цветных камер более приближена к человеческому глазу. Это объясняется конструктивными особенностями цветной матрицы и применением инфракрасного фильтра, отсекающего инфракрасное излучение. Площадь каждой светочувствительной ячейки цветной камеры в несколько раз меньше, чем черно-белой, поскольку каждая такая ячейка – триада, которая состоит из трех светочувствительных субъячеек, соответствующих трем цветовым составляющим изображения: синей, зеленой и красной. Соответственно, при одинаковых размерах черно-белой и цветной матрицы последняя будет иметь меньшую площадь субъячейки. К тому же каждая субъячейка цветной матрицы имеет свой светофильтр (зеленый, красный или синий), который ослабляет общий световой поток, направленный к матрице. В результате для цветных телекамер характерны меньшая чувствительность по сравнению с черно-белыми камерами и отсутствие чувствительности в инфракрасной части спектра.
Для цветных камер, используемых в системах телевизионного наблюдения и работающих в видимой части спектра, принимаются специальные меры (использование инфракрасных фильтров) по ограничению спектральной характеристики и приведению ее к видимой части спектра. При от-сутствии перед объективом камеры фильтра, задерживающего ИК-спектр, ухудшение качества картинки станет сразу же заметно: уменьшается контраст, появляются шумы и искажения цветопередачи. В камерах типа «день-ночь» также применяется решение в виде механического ИК-фильтра: днем при достаточной освещенности он установлен и камера снимает в видимом спектре, а ночью, когда недостает освещения, камера переходит в черно-белый режим, фильтр снимается и включается ИК-подсветка.
Конструктивно инфракрасный фильтр представляет собой небольшую пластинку из стекла или любого светопрозрачного полимера с нанесенным на него слоем, поглощающим ИК-излучение. В конце концов фильтр может представлять собой просто тонкую пленку из отражающего инфра-красное излучение материала, нанесенного на линзы оптики камеры или на саму ПЗС-матрицу.
На рисунке 3 представлена зависимость коэффициента пропускания от длины волны света типичного ИК-фильтра. Видно, что максимум пропуск-ной способности (около 85–90%) приходится на видимый спектр, а минимум – на ближний инфракрасный и ультрафиолетовый диапазоны, где происходит ослабление ИК-спектра в 10–15 раз.

Рис. 3

Основные свойства и параметры инфракрасных осветителей в составе систем видеонаблюдения
Рассмотрим основные характеристики светодиодов, определяющие параметры инфракрасных излучателей, в состав которых они входят. Приборы с инфракрасным излучением обладают теми же характеристиками, что и остальные источники света. Одним из основных интересующих нас параметров светодиода является длина волны излучаемого ИК-света. Поскольку ПЗС-матрицы обычно имеют спад чувствительности с увели-чением длины волны к области инфракрасного диапазона, то обычно выбирают светодиоды, основная излучательная способность которых прихо-дится на длину волны 850 нм. У этих светодиодов можно заметить красноватое свечение в темноте, потому что их спектральная характеристика частично попадает в область видимого спектра. Полностью невидимым излучением обладают светодиоды с максимумом спектральной характери-стики, приходящимся на 930–950 нм. Если при организации видеонаблюдения нет необходимости организации скрытой ИК-подсветки, то, конеч-но же, не стоит стремиться устанавливать осветители диапазона 930–950 нм, так как чувствительность матриц в этой области ниже, чем в области 830–850нм.
Осевая сила света, измеряемая в канделах, во многом определяет еще один параметр – дальность освещения. Дальность подсветки целого устрой-ства, состоящего из множества светодиодов, можно увеличить как применением более мощных светодиодов, так и увеличением их количества. Однако увеличение количества светодиодов, равно как и увеличение тока, проходящего через каждый светодиод ИК-подсветки, приводит к уве-личению дальности обнаружения только до определенного момента – достижения так называемой области насыщения. Дальность подсветки (рис. 4) можно оценивать, например, как расстояние от излучателя до вертикальной плоскости, определяемое из условия минимальной освещенности, равной 2 лк, точки пересечения плоскости и оси излучателя (для камеры с чувствительностью не хуже 0,1 лк).

Рис. 4

Определение дальности подсветки инфракрасного излучателя.
Инфракрасный осветитель обладает таким свойством, как распределение светового потока в пространстве, которое можно представить в виде диа-граммы (рис. 5) пространственного распределения силы света (диаграмма направленности). Данная диаграмма показывает долю излучаемой энер-гии в выбранном направлении от общей интенсивности. Иными словами, насколько эффективно излучатель концентрирует световую энергию в нужном направлении и по возможности меньше рассеивает ее в других направлениях. Угол излучения источника освещения определяется по диа-грамме направленности как угол, образованный лучами, выходящими из точечного источника, проходящими через точки пересечения диаграммы направленности и линии, определяющей уровень половины относительной осевой силы света.

Рис. 5

Точную диаграмму пространственного распределения силы света можно построить, используя специальный прибор – гониометр. Грубую диа-грамму направленности можно получить с использованием фотодатчика, вручную вращая его в горизонтальной плоскости по радиусу окружно-сти, в центре которой находится светодиод, и регистрируя уровень выхода и угол поворота датчика. Однако на высокую точность такого метода рассчитывать не приходится.
Если же рассматривать не весь излучатель целиком, а только один отдельно взятый диод, то типичная диаграмма направленности для него будет выглядеть приблизительно следующим образом (рис. 6).

Рис. 6

Некоторые производители светодиодов предоставляют примерно такую или похожую картинку в качестве графического представления диаграм-мы направленности светодиода. Отклонения в геометрии линзы, погрешности, внесенные в ходе производства, и старение со временем материала корпуса могут существенно затронуть оптические свойства светодиодов (рис. 7). Стоит учитывать, что неравномерность диаграммы направленно-сти ИК-излучателя находится в сильной зависимости от конструкции излучателя, качества его производства и угла излучения светодиодов.

Рис. 7

Отдельная тема для обсуждения – долговечность светодиодов или время их наработки на отказ. Желательно, конечно, чтобы это время было не меньше расчетного срока службы камеры. Срок службы – важный (и больной) эксплуатационный параметр полупроводниковых источников света. Тут можно различить два критерия: полный (пока прибор полностью не выйдет из строя) и полезный (пока световой поток не упадет ниже опре-деленного предела) сроки службы. Проектируя ИК-осветители, нельзя забывать об их дальнейшей эксплуатации, в частности, о возможности за-мены ИК-блока подсветки в уличных камерах.

Основные причины выхода из строя и сокращения срока службы ИК-диодов
Деградация активной области
Излучение света в светодиоде происходит в результате рекомбинации инжектированных носителей в активной области. Зарождение и рост дефек-тов кристаллической решетки полупроводника приводит к его деградации. Физические процессы, происходящие в полупроводнике (высокая плотность инжектированного тока и связанный с ней разогрев полупроводника), неизбежно ускоряют развитие дефекта. Но так как дефекты кри-сталлической решетки присутствуют во всех полупроводниковых приборах, то развитию деградации активной области подвержены все светодио-ды. Повышенное питающее напряжение значительно способствуют этому.
Термическая деградация
Количество тепла, выделяющееся при работе ИК-светодиодов, требует их монтажа на радиатор. Перегрев полупроводника ведет к увеличению концентрации не основных носителей заряда (электронов в p-области и дырок в n-области), образующих обратный ток, сильно зависящий от тем-пературы. Бесконтрольный рост температуры может стать причиной выхода из строя полупроводника светодиода вследствие теплового пробоя. Длительная работа при повышенной температуре приводит к термическому разрушению кристаллической структуры полупроводника по причине лавинообразного увеличения числа миграций атомов из одних областей в другие.
Электростатический разряд
Полупроводники очень чувствительны к электростатическому разряду. Повреждение электростатическим разрядом может проявляться как вне-запный отказ или внутреннее повреждение, приводящее к быстрому выходу из строя в процессе последующей эксплуатации. Согласно сущест-вующим нормативам чувствительность светодиодов к электростатическому разряду должна быть не менее 100 В. Пробой из-за статического раз-ряда может оказаться существенной проблемой для светодиодов, использующихся в ИК-осветителях, поскольку кабель питания может собирать на себя статическое электричество во время грозы, а никаких разрядников производителями для ИК-подсветки обычно не предусматривается.
Из вышесказанного можно сделать следующие выводы. Для увеличения срока службы и предотвращения выхода из строя светодиодов инфра-красной подсветки (да и вообще любых светодиодов) необходимо соблюдать тепловой режим их работы (использовать термоизоляцию блоков ИК-подсветки, стабилизировать номинальное напряжение питания) и обеспечить защиту от скачков, вызванных статическим электричеством.
Большинство поставляемых сегодня промышленностью светодиодов в разной степени деградирует в течение нескольких лет, несмотря на то что производители обычно гарантируют срок службы своих светодиодов около 100 000 часов или около 11 лет непрерывной работы. Однако это всего лишь теоретические расчеты, в которых предполагается, что диод будет работать в тепличных условиях. На деле же все обстоит гораздо сложнее. Анализ многочисленных отказов устройств ИК-подсветки позволил сделать следующие выводы. Пожалуй, самыми деструктивными факторами являются невысокое качество сборки или производства, температура и нестабильность питающего напряжения. Качество сборки процентов на 40 определяет долговечность работы, предельная и повышенная температура еще на 30% сокращает срок службы светодиода, нестабильность пи-тающего напряжения отнимает 20% от расчетного срока эксплуатации. Такие факторы, как дефекты в кристаллической решетке полупроводника, электростатические разряды, усталость материала и всевозможные механические напряжения в приборе, сложным образом влияют на срок служ-бы светодиода, и учесть их не представляется возможным, но все в сумме они дают оставшиеся 10% надежности.

Целесообразность применения камер «день-ночь» совместно со встроенной ИК-подсветкой
Ночное видеонаблюдение с применением отдельных светодиодных ИК-прожекторов вообще и встроенной подсветки (опять же светодиодной) в камерах All-in-One, пожалуй, является самым приемлемым по совокупности критериев качеством изображения/цена, если сравнивать с камерами с накоплением и применением искусственного освещения. Опять же даже если камера с накоплением и будет давать подобное по качеству статич-ное изображение, то ее применение там, где необходимо производить съемку движущихся объектов, вообще лишено смысла из-за ее способности превращать движущиеся объекты в полупрозрачные привидения.
Если же рассматривать наблюдение с применением ИК-подсветки как альтернативу наблюдению при использовании искусственного освещения, то с экономической точки зрения первый способ вне конкуренции: стоимость затрат на оборудование освещения и энергопотребление в несколько раз (если не на порядок) выше, чем применение камер с ИК-подсветкой. Простой подсчет: на длине периметра 100 м можно поставить, например, 3 фонаря по 500 Вт или 4–5 ИК-осветителей по 10–15 Вт – экономия очевидна.
Скрытая подсветка не привлекает внимание к скрытой же видеокамере, что позволяет успешнее противостоять, например, намеренной краже обо-рудования.
Необходимо также, выделить два условия применения ИК-подсветки. Во-первых, допустимо демаскирующее свечение самих источников излуче-ния. При этом возможно применение излучателей с длиной волны 920, 880 и 850 нм. Практически все светодиоды, излучающие в области 840–880 нм, имеют достаточно интенсивную видимую составляющую светло-красного цвета, особенно при максимальных токах. Во-вторых, требуется безусловная невидимость самого излучателя даже при прямом визуальном наблюдении его с близкого расстояния. Для этого применяются излуча-тели с длиной волны 930–950 нм. Но нужно учитывать, что чувствительность ПЗС-матрицы к длинам волн 840–880 нм выше, чем к длинам 930–950 нм, поэтому при прочих равных условиях использование осветителей диапазона 840–880 нм будет предпочтительнее.
Что касается сравнения внешней подсветки и ИК-прожекторов, встроенных в кожух камеры, то тут не все однозначно. Инфракрасный прожектор может дать более мощный и равномерный поток излучения, но в то же время потребляет больше мощности, требует дополнительной установки, некомпактен. Встроенная подсветка компактна, не требует дополнительного монтажа и достаточно экономична. Но при определенных условиях встроенный источник подсветки может создавать блики и засветку объектива камеры, а пространственное распределение света зачастую оставляет желать лучшего. Еще один интересный факт: согласованность работы подсветки и камеры. В камерах All-in-One, как правило, ИК-блок и механи-ческий светофильтр работают согласованно: включение подсветки и снятие фильтра происходят одновременно. В то время как отдельный ИК-прожектор со встроенным фотодатчиком может включиться позже снятия фильтра в камере, тогда на какое-то время камера «слепнет» в темноте. Рассмотрим в качестве примеров реализации камер All-in-One различные типовые решения, присутствующие сегодня на рынке.
Самый простой тип камеры с ИК-подсветкиой иначе как игрушкой не назовешь – 6 светодиодов имеют малую излучаемую мощность и несогласо-ванную диаграмму направленности, поэтому такая подсветка эффективна на расстоянии более 2–3 м, и то только для центральной части кадра. Сейчас достаточно широко распространены камеры в кожухах. За общим с камерой стеклом располагается осветитель из нескольких десятков ИК-диодов, это стекло и является главным минусом такой конструкции: часть ИК-излучения неизбежно попадет в объектив за счет всевозможных пе-реотражений внутри кожуха, и, чем качественнее подогнаны детали камеры и светозащитной бленды, тем меньше будет засветка.
Еще большие проблемы с засветкой могут возникнуть в процессе эксплуатации у наружных герметичных купольных телекамер со встроенной ИК-подсветкой. У таких камер сложно добиться плотного контакта объектива с полусферическим куполом, а сам купол представляет собой моно-литную полусферу, у которой части общего стекла, закрывающие объектив и блок подсветки, никак не разделены для предотвращения засветки камеры. Через какое-то время пыль и грязь, осевшая на куполе, станут дополнительным источником засветки, отражая инфракрасный свет назад в объектив, и спустя пару месяцев потребитель в недоумении будет наблюдать свечение грязного стекла вместо картинки.
Другой отрицательный фактор встроенного осветителя – мешающее обратное рассеивание среды при высокой ее плотности: снега или дождя. Простейшим методом его минимизации является применение распределенной подсветки – отдельных осветителей, создающих равномерное све-товое поле в области обзора камеры.
В целом можно сделать вывод о том, что при всем удобстве использования встроенной ИК-подсветки для телекамер ее можно рекомендовать лишь для решения простых и не очень ответственных задач. В случаях же где к видеонаблюдению в ночное время или в условиях недостаточной освещенности предъявляются повышенные требования, наиболее оправданно использование отдельных осветителей с диаграммами направленно-сти, согласованными с полем зрения телекамеры. Точно так же для создания относительно равномерного светового потока и уменьшения обратно-го рассеивания среды целесообразно использовать внешние осветители, располагающиеся рядом (обычно симметрично по бокам) с камерой.
В последнее время производители уличных камер All-in-One в условиях конкурентной борьбы за рынок улучшают качество съемки камер в ноч-ном режиме при использовании инфракрасного освещения. Одним из таких направлений является применение технологии адаптивной подсветки, призванной нивелировать засветку близко расположенных к камере объектов съемки. Суть ее проста: по уровню освещенности наблюдаемого объекта регулируется сила света встроенного ИК-осветителя, т. е. образуется своеобразная оптическая обратная связь между матрицей и блоком подсветки.

Подведем итог. Наилучшим способом реализации видеонаблюдения в ночное время и в условиях пониженной освещенности можно считать ис-пользование внешних ИК-прожекторов и осветителей. Системы All-in-One, использующие простейшие ИК-осветители, пожалуй, являются наибо-лее оптимальным выбором, если учитывать соотношение цены и качества. К тому же индустрия не стоит на месте и предлагает новые жизнеспо-собные решения, такие, как, например, адаптивная подсветка. А это позволяет надеяться, что системы All-in-One, несмотря на присущие им не-достатки, в обозримом будущем будут пользоваться высокой популярностью.

Литература Чура Н. И. Некоторые аспекты применения ИК-подсветки при видеонаблюдении // Специальная техника. 2002. № 3. С. 35–39. Чура Н. И. Некоторые аспекты применения ИК-подсветки при видеонаблюдении // Специальная техника. 2003. № 5. С. 35–38. Никифоров С. Г. Проблемы, теория и реальность светодиодов для современных систем отображения информации высшего качества // Компонен-ты и технологии. 2005. № 5. С. 48–57. Никифоров С. Г. Почему светодиоды не всегда работают так, как хотят их производители? // Компоненты и технологии. 2005. № 7. С. 16–24.