07 августа 2013
Технология адаптивной ИК-подсветки
Техническое описание
Освещение является одним из важнейших факторов, влияющих на качество
изображения. С наступлением темноты резко снижается способность камеры
видеонаблюдения регистрировать существенные детали, такие как лица
и номерные знаки транспортных средств. Для решения этой проблемы можно
использовать на месте съемки искусственные источники света, чаще всего
ИК-подсветку.
В то время как человек различает видимый свет в диапазоне 390–750 нм,
ИК-излучение имеет большую длину волны (обычно 850 нм), не видим человеку
и обеспечивает камере возможность съемки. ИК-спектр выше спектра видимых
цветов, поэтому изображение получается монохромным (черно-белым),
но критически важные детали можно запечатлеть в полной темноте.
Однако при использовании источников ИК-излучения проявляется несколько
побочных эффектов. Например, источник ИК-излучения должен быть откалиброван
в соответствии с углом обзора камеры для наиболее эффективного освещения
всей области съемки и устранения нежелательных побочных явлений, таких как
блики и темные края. Такую калибровку особенно сложно выполнить для камеры
с трансфокатором, так как угол обзора такой камеры зависит от фокусного
расстояния объектива. Другой проблемой при использовании ИК-освещения
является то, что при приближении объектов к источнику излучения, их изображения
быстро засвечиваются, что приводит к потере существенных деталей.
Передовые технологии создания камер, особенно технология адаптивной
ИК-подсветки, позволяют преодолеть эти трудности и повысить качество
видеосвидетельств. Настоящий документ содержит обзор современных технологий
адаптивной ИК-подсветки, а также их назначения и недостатков.
Технология адаптивной ИК-подсветки
На рынке представлено множество камер со встроенной ИК-подсветкой,
как аналоговых, так и сетевых. Термин «встроенная ИК-подсветка» означает
наличие в камере ИК-светодиодов, обеспечивающих освещение в условиях очень
низкой освещенности. Почти все такие камеры поддерживают только статическую
ИК-подсветку, то есть режим ИК-подсветки настроен на заводе в момент
производства камеры и не изменяется в зависимости от условий эксплуатации
камеры. Это не позволяет камере вести съемку с максимальным качеством
изображения в любых условиях.
Технология адаптивной ИК-подсветки от Avigilon сочетает в себе несколько
подходов к адаптивному освещению, что позволяет всегда получать наилучшие
видеосвидетельства.
- Адаптация к фокусному расстоянию — ИК-подсветка фокусируется в поле обзора
камеры, обеспечивая наиболее эффективное ИК-освещение при любом фокусном
расстоянии.
- Адаптация с учетом сцены — настройки камеры динамически оптимизируются
в соответствии с изменением сцены для повышения качества видеоматериала.
Применяется два метода.
- Обнаружение засветки: засветка устраняется, при этом уменьшается
смазывание от движения и эффективнее освещаются номерные знаки
транспортных средств.
- Устранение фоновой засветки: неподвижные засвеченные области
игнорируются для повышения детализации двигающихся объектов даже
в самых темных участках изображения.
Благодаря сочетанию этих функций камеры Avigilon с патентованной адаптивной
ИК-подсветкой обеспечивают максимально эффективное освещение для записи
наилучших видеоматериалов в любых условиях видеонаблюдения.
Адаптация подсветки к фокусному расстоянию
Если камера оснащена объективом с переменным фокусным расстоянием, например,
3–9 мм, пользователь может изменять угол обзора — при увеличении фокусного
расстояния угол обзора камеры уменьшается.
Чем больше фокусное расстояние, тем меньше область эффективной съемки
и дальше она расположена. При использовании адаптирующейся к фокусному
расстоянию ИК-подсветки камера динамически фокусирует ИК-луч в области съемки.
В результате при увеличении фокусного расстояния ИК-луч сужается вместе с углом
обзора объектива и освещает меньшую область на большем расстоянии.
Рисунок 1. При использовании объектива
с переменным фокусным
расстоянием
пользователь может изменять угол обзора
— при увеличении
фокусного расстояния
угол обзора камеры уменьшается.
Рисунок 2. При изменении фокусного расстояния адаптивная
подсветка от Avigilon
фокусирует ИК-луч в области съемки.
Рисунок 3. Без технологии адаптации подсветки к фокусному расстоянию
ИК-луч
не фокусируется в области съемки, поэтому углы изображения
остаются темными
или без необходимости осуществляется
ИК-подсветка за пределами области съемки.
Без технологии адаптивной подсветки производитель устанавливает
фиксированный угол ИК-луча, покрывающий фиксированное расстояние
и фиксированную область, обычно в зоне между минимальным и максимальным
фокусным расстоянием объектива.
При статической ИК-подсветке ее область не изменяется в соответствии с углом
обзора камеры. В результате статическая ИК-подсветка обеспечивает оптимальное
освещение, только когда фокусное расстояние камеры совпадает с областью
ИК-подсветки. Если поле обзора камеры шире области подсветки (фокусное
расстояние меньше расстояния подсветки), углы области съемки не будут освещены
и будут утрачены существенные детали. С другой стороны, если поле обзора камеры
уже области подсветки (фокусное расстояние больше расстояния подсветки),
без необходимости осуществляется ИК-подсветка за пределами области съемки.
В результате хуже освещается область съемки. Изображение становится темнее,
содержит больше шумов и меньше деталей.
Адаптирующаяся к фокусному расстоянию ИК-подсветка максимально эффективно
задействует ИК-излучение, обеспечивая равномерное освещение всей области
съемки при любом фокусном расстоянии без лишней ИК-подсветки, фокусируя
ИК-излучение в области съемки.
| Статическая ИК-подсветка
(конкурирующая технология) |
Адаптация подсветки к фокусному
расстоянию
(Цилиндрическая HD-камера Avigilon) |
 |
 |
Рисунок 4. При малом фокусном
расстоянии статическая ИК-подсветка
(слева)
может оставлять края изображения
темными, теряя существенные детали.
Технология адаптирующейся к фокусному
расстоянию подсветки от Avigilon (справа)
обеспечивает равномерное освещение
всей сцены при любом фокусном
расстоянии.
Адаптация с учетом сцены
В то время как технология адаптирующейся к фокусному расстоянию подсветки
обеспечивает наиболее эффективное освещение в зависимости от угла обзора
камеры, в процессе съемки сцена может значительно меняться. Изменения могут
быть вызваны перемещением объектов по сцене, а также посторонними источниками
света, изменяющими освещение сцены. Для улучшения видеоматериала технология
адаптации с учетом сцены от Avigilon динамически настраивает камеру в соответствии
с изменениями сцены двумя методами: обнаружение засветки и устранение фоновой
засветки.
Обнаружение засветки
В каждый момент времени камера «видит» объекты в определенном диапазоне
освещенности. Например, в помещении имеется источник света в углу и три объекта
на разном расстоянии от источника света.
Предположим, что в помещении имеется
источник света в углу и
три объекта
на разном расстоянии от источника света.
В автоматическом режиме камера настраивает экспозицию по средней освещенности
сцены. Скорее всего, в результате второй объект будет четко виден, а два других
объекта будут либо засвечены, либо полностью затенены.
Автоматическая настройка
Автоматически экспозиция камеры
настраивается по средней освещенности
сцены.
В результате средний объект
экспонируется оптимально,
первый объект
засвечен, а последний объект полностью
затенен.
Некоторые функции камеры, такие как компенсация контрового света
и экспозамер, позволяют пользователю сместить экспозицию в темную
или светлую область. Например, при минимальной выдержке камера наиболее
четко снимет первый объект, но два других объекта будут полностью затенены.
Минимальная выдержка
Вручную снизив выдержку на камере,
можно добиться оптимальной
экспозиции
первого объекта, при этом два последних
объекта
будут полностью затенены.
При максимальной выдержке камера наиболее четко снимет последний объект,
но два других объекта будут засвечены.
Максимальная выдержка
Вручную увеличив выдержку на камере,
можно добиться оптимальной
экспозиции
последнего объекта, при этом два
последних
объекта будут засвечены.
Камеры с широким динамическим диапазоном (WDR) снимают объекты в большем
диапазоне освещенности. Но этот диапазон все равно ограничен, так что четко
будут видны первые 2 объекта, а последний объект останется затененным.
Широкий динамический диапазон
Некоторые функции, такие как широкий
динамический диапазон,
позволяют
увеличить диапазон освещенности,
в котором
камера может вести съемку,
например, обеспечив
оптимальную
экспозицию двух из трех объектов.
Описанная проблема особенно заметна при использовании ИК-подсветки ночью
и в условиях слабой освещенности. Так как сцена в целом очень темная, а источник
света очень яркий, объекты, приближающиеся к камере, быстро засвечиваются, пока
камера пытается сбалансировать экспозицию. Как показано на иллюстрации ниже,
изображение появившегося на сцене человека может быстро засветиться, даже если
он не находится близко к камере.
Эта проблема засветки усугубляется тем фактом, что различные материалы имеют
различные светоотражающие свойства. Например, номерные знаки транспортных
средств и светоотражающие жилеты имеют покрытие с высокой отражательной
способностью, что приводит к засвечиванию объекта и окружающих его предметов.
Камеры, не оснащенные технологией адаптации с учетом сцены, настраивают
экспозицию по средней освещенности области съемки. Так как большая часть
области съемки чрезвычайно темная, при усредненной экспозиции существенные
объекты будут засвечены, а детали будут утрачены.
Камеры с адаптивной ИК-подсветкой интеллектуально оценивают размер
засвеченной области и настраивают экспозицию, чтобы не допустить засветки
объектов, если их площадь достаточно велика. Данная технология эффективно
предотвращает засветку объектов, расположенных близко к камере (так как
такие объекты занимают большую площадь изображения) и игнорирует засветку,
вызванную источниками света (фарами автомобилей, а также фонарями на заднем
плане). Это очень эффективный способ корректной подсветки наиболее важных
объектов и сохранения их детализации.
Рисунок 5. При использовании
ИК-подсветки объекты
очень быстро
засвечиваются.
Рисунок 6. Благодаря технологии
адаптации с учетом сцены от Avigilon
приближающиеся к камере объекты имеют
корректную экспозицию.
Технология адаптации с учетом сцены
(Цилиндрическая HD-камера Avigilon)
Существует два основных способа устранения засветки, каждый со своими
преимуществами и недостатками. Первый способ заключается в уменьшении яркости
ИК-подсветки. Так как засветка объекта возникает преимущественно вследствие
использования ИК-подсветки, уменьшение ее яркости является эффективным
способом устранения засветки. Второй способ заключается в снижении выдержки
камеры. Выдержка задает время экспонирования матрицы светом. При уменьшении
выдержки уменьшается количество света, попадающее на матрицу за каждый
кадр, и в результате эффективно устраняется засветка. Важно учитывать, что
в обоих случаях изображение в целом будет темнее, так как в первом случае
уменьшается освещенность сцены, а во втором — количество света, попадающего
на матрицу. Но так как обычно объекты, расположенные ближе к камере, важнее
объектов на заднем плане, это весьма эффективный компромисс в индустрии
видеонаблюдения.
Каждый из этих методов устранения засветки (а именно: снижение яркости
ИК-подсветки и уменьшение выдержки) имеет свои преимущества.
Если фон сцены освещается другими источниками света, при снижении яркости
ИК-подсветки сохранится освещенность фона, обеспечиваемая другими
источниками света. С другой стороны, при уменьшении выдержки все изображение
будет темнее, в том числе дополнительные источники света, как показано
на рисунке ниже.
Рисунок 7. Снижение яркости ИК-подсветки позволяет устранить засветку (в центре)
при сохранении яркости других источников
света, в то время как уменьшение
выдержки (справа) делает все изображение темнее,
в том числе другие источники света.
Однако по сравнению со снижением яркости ИК-подсветки уменьшение выдержки
дает ряд преимуществ. Во-первых, длительная выдержка приводит к смазыванию
изображения двигающихся объектов. А значит, при меньшей выдержке изображения
двигающихся объектов получаются более четкими.
 |
 |
Рисунок 8. Уменьшение выдержки
позволяет устранить как засветку,
так и смазывание изображений
двигающихся объектов. |
Для видеонаблюдения обычно наиболее важны двигающиеся объекты, такие
как появляющийся на сцене человек или проезжающая машина. Уменьшение
выдержки может значительно улучшить изображение в обоих случаях, ведь
смазывание от движения скрывает черты лица и данные на номерных знаках.
Другое преимущество уменьшения выдержки по сравнению со снижением яркости
ИК-подсветки проявляется при съемке номерных знаков транспортных средств,
даже неподвижных. Как показано на иллюстрации ниже, номерной знак расположен
между двумя фарами, которые являются источниками очень яркого света. Но свет
фар направлен от номерного знака, поэтому сам знак не освещается.
Рисунок 9. Уменьшение выдержки при неизменной яркости
ИК-подсветки позволяет
считывать номерные знаки.
В показанном выше примере при использовании статической ИК-подсветки фары
настолько яркие, что вся область засвечена и номерной знак не виден. Снижение
яркости ИК-подсветки не позволяет уменьшить засветку от фар, но подавляет
ИК-освещение номерного знака, поэтому данные на нем становятся еще менее
разборчивыми. С другой стороны, уменьшение выдержки приводит к уменьшению
засветки номерного знака от фар, при этом он остается освещенным ИК-подсветкой.
Так как большинство номерных знаков имеют очень высокую отражательную
способность, уменьшение выдержки при неизменной яркости ИК-подсветки делает
изображение номерного знака разборчивым.
Благодаря технологии обнаружения засветки с учетом сцены от Avigilon камера
интеллектуально уменьшает выдержку в соответствии с содержимым сцены, устраняя
засветку и снижая смазывание от движения, что позволяет эффективно считывать
номерные знаки двигающихся транспортных средств в темноте.
Рисунок 10. Устранение засветки
посредством снижения яркости
ИК-подсветки по сравнению
с уменьшением выдержки.
Устранение фоновой засветки
При видеонаблюдении самыми важными объектами всегда являются те,
что двигаются или меняются. Поэтому большая часть материалов видеонаблюдения
— это записи двигающихся объектов. При использовании уникальной технологии
адаптации с учетом сцены от Avigilon камера также игнорирует засвеченные области,
чтобы камера могла настроиться на оптимальную съемку двигающихся объектов.
Обычно камеры автоматически настраиваются на оптимальное качество съемки,
анализируя всю сцену и устанавливая экспозицию для достижения максимальной
детализации во всем диапазоне освещения. В то же время технология адаптации
с учетом сцены от Avigilon отслеживает неподвижные во времени пиксели
и игнорирует неменяющиеся пиксели. В результате камера фокусируется
на пикселях, которые изменяются, и адаптируется для максимально качественной
съемки двигающихся объектов.
На рисунке ниже показан пример.
Статическая ИК-подсветка
(конкурирующая технология)
Засвеченные источники света
увеличивают общую яркость сцены,
в результате изображение в целом
получается темнее.
Изображение слишком темное,
и в его углу нельзя разглядеть
дверной проем.
Рисунок 11. При использовании технологии
адаптации с учетом сцены от
Avigilon камера
автоматически настраивается так, чтобы
игнорировать
засвеченные объекты, такие
как уличные фонари, регистрируя
максимум
деталей засвеченных двигающихся
объектов, таких как номерные знаки.
Благодаря технологии адаптации
с учетом сцены от Avigilon камера
игнорирует засвеченные объекты,
такие как источники света, благодаря
чему все изображение становится ярче,
поэтому становятся хорошо видны
дверные проемы и другие объекты
Благодаря технологии адаптации с учетом
сцены от Avigilon камера обнаруживает
двигающиеся засвеченные объекты,
такие как номерной знак на проезжающем
автомобиле с включенными фарами. Все
изображение становится темнее, чтобы
можно было считать номерной знак. Когда
автомобиль покинет сцену или остановится,
будет восстановлена исходная яркость
изображения.
Благодаря технологии адаптации с учетом сцены от Avigilon камера настраивается
в соответствии с изображением в целом. При наличии засвеченных областей
изображения становятся темнее, что может скрыть важные детали подвижных
объектов. Благодаря технологии адаптации с учетом сцены от Avigilon камера
игнорирует неподвижные засвеченные объекты для максимально эффективной
съемки как двигающихся объектов в темных областях, так и номерных знаков
на двигающихся транспортных средствах.
Заключение
На технологию адаптивной ИК-подсветки от Avigilon поданы патентные заявки.
В этой технологии сочетаются методы адаптации к фокусному расстоянию
и с учетом сцены, что позволяет достичь максимального качества изображения
в любых условиях видеонаблюдения. Технология адаптации к фокусному
расстоянию от Avigilon позволяет максимально эффективно задействовать
ИК-подсветку, обеспечивая равномерное освещение всей области съемки при
любом фокусном расстоянии. Кроме того, эта технология повышает эффективность
ИК-подсветки, фокусируя ИК-излучение в поле обзора камеры. Благодаря
технологии адаптации с учетом сцены от Avigilon камера интеллектуально
уменьшает выдержку в соответствии с содержимым сцены, устраняя засветку
и снижая смазывание от движения, что позволяет более эффективно освещать
номерные знаки. Более того, камера игнорирует неподвижные засвеченные
области для повышения детализации двигающихся объектов даже в самых
темных областях изображения. Благодаря сочетанию этих функций камеры
Avigilon с патентованной адаптивной ИК-подсветкой обеспечивают максимально
эффективное освещение для записи наилучших видеоматериалов в любых
условиях видеонаблюдения.
Видео регистратор Микродиджитал MDR-16700
