Вы находитесь в разделе Типовых решений систем безопасности
3.3. освещение объектов наблюденияКачество телевизионного изображения непосредственно связано с количеством фотонов, накопленных в элементах матрицы ПЗС. Источниками этих фотонов являются различные естественные и искусственные осветители. Проектирование систем физической защиты производится с учётом требований нормативных документов к освещению различных зон того или иного объекта. Применение телевидения в составе СФЗ ужесточает требования к уровню освещённости контролируемых зон, поскольку задачу классификации малоконтрастных объектов зрительный анализатор человека решает лучше стандартной ТВ-аппаратуры. Далее кратко рассмотрены основные аспекты обеспечения уровня освещённости, необходимого для надёжной работы ТВ-системы. Основные определения фотометрии Фотометрия - раздел прикладной физики, занимающийся измерениями света. С точки зрения фотометрии, свет – это излучение, способное вызывать ощущение яркости при воздействии на человеческий глаз. Такое ощущение вызывает излучение с длинами волн от ~0,38 до ~0,78 мкм, причем самым ярким представляется излучение с длиной волны ок. 0,555 мкм (желто-зеленого цвета). Поскольку чувствительность глаза к разным длинам волн у людей неодинакова, в фотометрии принят ряд условностей. В 1931 Международная комиссия по освещению (МКО) ввела понятие «стандартного наблюдателя» как некоего среднего для людей с нормальным восприятием. Этот эталон МКО – таблица значений относительной световой эффективности излучения (табл.3. с длинами волн в диапазоне от 0,38 до 0,78 мкм.. Таблица 3.4  Принятое в 1948 году и действовавшее до 1979 года определение свечи (канделы) звучало следующим образом: кандела – сила света, излучаемого в перпендикулярно направлении 1/600 000 м2 поверхности черного тела при температуре затвердевания платины (2042 К) и давлении 101 325 Н/ м2. В 1979 году 16-й Генеральной Конференции по Мерам и Весам было принято новое определение канделы. Кандела – сила света в данном направлении от источника монохроматического излучения с частотой 540*1012 Гц и имеет интенсивность излучения в этом направлении равную 1 / 683 Вт в телесном угле равном одному стерадиану. Частота излучения 540*1012 Гц соответствует длине волны = 555,016 нм в воздухе при стандартных условиях, который для почти всех целей может быть взята равной 555 нм без влияния на точность реальных измерений. Поток излучения - мощность излучения, оцениваемая по его действию на приемник. Измеряется в люменах (лм), 1 люмен равен световому потоку, испускаемому точечным источником света с силой излучения 1 кандела в телесный угол, равный 1 стерадиану (1 лм = 1кд*ср). Например, для монохроматического излучения, соответствующего максимуму спектральной чувствительности глаза при мощности излучения 1 Вт световой поток равен 683 лм. Освещенность - отношение подающего на поверхность потока излучения к площади этой поверхности E = Ф/S. Измеряется в люксах (лк). Один люкс равен освещенности поверхности сферы радиусом 1 м, создаваемой находящимся в ее центре точечным источником, сила света которого равна 1 кд (1 лк = 1 кд*ср/м2). Виды освещения Помещения с постоянным пребыванием людей имеют, как правило, естественное освещение светом неба (прямым или отраженным), проникающим через проёмы в наружных ограждающих конструкциях (рис. 3.1 .  При нехватке естественного света на объекте применяется совмещённое освещение, при котором дефицит освещённости восполняется за счёт искусственных источников излучения. В свою очередь, искусственное освещение подразделяется на рабочее, аварийное, охранное и дежурное. Аварийное освещение разделяется на освещение безопасности (освещение для продолжения работы при аварийном отключении рабочего освещения) и эвакуационное (освещение для эвакуации людей при аварийном отключении рабочего освещения). Нормируемые характеристики освещения в помещениях и снаружи зданий могут обеспечиваться как светильниками рабочего освещения, так и совместным действием с ними светильников освещения безопасности (5% от рабочего) и/или эвакуационного освещения (0.5 лк). При этом поверхность, на которой нормируется или измеряется освещённость, как правило, считается горизонтальной. Строительные нормы и правила РФ регламентируют уровни освещённости для всех указанных видов освещения. В табл. 3.5 приведены требования к рабочему освещению для некоторых объектов. Таблица 3.5  При отсутствии специальных технических средств охранное освещение должно быть не менее 0.5 лк на уровне земли в горизонтальной плоскости. В то же время при использовании для охраны телевизионной техники освещённость следует задавать индивидуально в пределах каждой контролируемой зоны. Компромисс между требованиями к телевизионной системе и к системе освещения находится светотехническим расчётом, основанным на законах распространения, отражения и поглощения излучения различных длин волн. Для определения освещённости в выбранной точке необходимо знание световой отдачи источника, расстояния от источника до освещаемого объекта, угла падения света и количества источников света. Обычно, лампы рассматриваются как точечные источники, а освещённые ими стены – как вторичные распределённые источники света. Световая отдача источника I (лм) определяется мощностью лампы Р (Вт) и коэффициентом светоотдачи η: I = ηP. Этот коэффициент различен для разного типа и разной мощности ламп. Для ламп накаливания мощностью 60 Вт он равен примерно 12 лм/Вт, для ламп накаливания 150 Вт – 14 лм/Вт; для ртутных ламп высокого давления светоотдача значительно больше: от 38 лм/Вт для ламп 125 Вт до 50 лм/Вт для ламп 1000 Вт. Указанные величины при конечном числе N точечных источников света позволяют рассчитать освещённость в выбранной точке по формуле , , :
где R – расстояние от источника до выбранной точки; φ – угол падения света (угол между направлением на источник света и перпендикуляром к освещаемой поверхности). При проектировании СФЗ светотехнический расчёт по формуле (3. проводят для группы характерных точек контролируемого объекта несколькими итерациями с учётом чувствительности телекамер и особенностей телевизионного наблюдения в контролируемых зонах. Специфика телевизионного наблюдения Регламентированное значение освещённости в контролируемой зоне должно быть проверено экспериментальным или расчётным путём. В обоих случаях необходимо учитывать, что чаще всего объект освещается не с той стороны, откуда смотрит телекамера. Эта ситуация типична для случая искусственного освещения запретной зоны вдоль охраняемого периметра (рис. 3.1 . Освещённость в поле зрения ТВ-камеры необходимо определять не только в горизонтальной плоскости, но и в вертикальной, т. е. перпендикулярной направлению оси визирования. При этом суммирование освещённостей, создаваемых различными осветителями, нужно проводить по формуле (3. лишь для тех источников света, которые расположены между телекамерой и объектом.  Освещённость от источников света, расположенных дальше объекта, телекамерой воспринята быть не может. Более того, должны быть приняты специальные меры (козырьки, бленды) для того, чтобы свет к телекамерам мог поступать только после отражения от объекта наблюдения.  В рассматриваемом случае минимум освещённости в горизонтальной плоскости получается посередине между двумя ближайшими осветителями; в вертикальной плоскости такой минимум находится на расстоянии в два с лишним раза большем . Поэтому и наименьшая освещённость в вертикальной плоскости в пять раз меньше, чем в горизонтальной (рис. 3.1 . Спектральные характеристики источников света Чувствительность телевизионных камер существенно зависит от произведения спектральных характеристик фотоприёмника и осветителя (см. формулу (2. ). Поэтому при расчёте эффективной освещённости необходимо учитывать спектральные характеристики источников света – ламп накаливания или газоразрядных ламп (чаще всего ртутных ламп высокого давления типа ДРЛ). Электрические лампы сильно отличаются друг от друга по спектральному составу излучения, а спектральные характеристики чувствительности телекамер не совпадают ни со спектрами излучения источников света. Так, температура нити лампы накаливания (в кельвинах) равна, примерно, Ти = 2800 К, и поэтому её спектр имеет максимум в инфракрасной области – на длине волны 1 мкм. Спектральная характеристика глаза «настроена» на спектр излучения Солнца и имеет максимум на длине волны примерно 0.55 мкм (рис. 2.1 . Спектральная характеристика ПЗС может простираться в инфракрасную область до длины волны примерно 1.1 мкм (рис. 3.1 .  В связи с различием в спектральных характеристиках источников света и фотоприёмников при расчёте эффективной освещённости, воспринимаемой телекамерой, следует вычислять не освещённость в люксах, а облучённость в ваттах на метр квадратный. Поэтому эффективную облучённость в выбранной точке поля зрения ТВ-камеры необходимо рассчитывать по формуле (3. с учётом спектральных характеристик осветителя и фотоприёмника, полученных в соответствии с формулой (2. . Численный расчёт по формуле (2. показывает, что при использовании ламп накаливания и ТВ-камер на ПЗС эквивалентная облучённость объекта наблюдения в три раза выше, чем светотехническая освещённость. При ориентировочных расчётах, когда спектр излучения источника считается равномерным со средней длиной волны 0.55 мкм, можно принять, что плотность мощности 1 Вт/м2 соответствует освещённости 220 лк. Проектирование системы охранного освещения включает в себя выбор типа источника света. Лампы накаливания, близкие по спектральной характеристике к абсолютно чёрному телу (АЧТ) с температурой около 3000 К, имеют низкий коэффициент полезного действия (КПД). В несколько раз более высокий КПД имеют газоразрядные лампы. Однако их спектр излучения существенно отличается от спектра излучения АЧТ и приближен к спектру излучения Солнца. Характеристикой спектра излучения S(λ) газоразрядной лампы, показывающей его близость к естественному свету, является красное отношение – выраженное в процентах отношение красного светового потока к общему световому потоку источника света:
где K(λ) – спектральная характеристика зрения. Значение красного отношения для ртутных ламп высокого давления типа ДРЛ, наиболее часто применяемых для освещения производственных предприятий, улиц и открытых пространств, составляет 6…15%. Численное значение этого параметра входит в условное обозначение марки лампы вместе с её номинальной мощностью. Например, лампа ДРЛ125(1 имеет мощность 125 Вт и красное отношение 15%. Искусственное освещение с помощью ламп ДРЛ даёт наилучшее согласование спектра излучения со свойствами зрения при малых значениях красного отношения (примерно, 6%). Использование телекамер на ПЗС изменяет требования к спектральной характеристике источника освещения и диктует необходимость использования газоразрядных ламп с большим значением красного отношения, т. е. 12…15%. В случае применения газоразрядных ламп с малым красным отношением эффективная облучённость объектов уменьшается в силу снижения чувствительности телекамер на ПЗС в синей области спектра. При использовании газоразрядных осветительных ламп необходимо учитывать наличие стробоскопического эффекта – искажения воспроизведения изображений объектов, связанного с биениями кадровой частоты телекамеры и частоты сети энергопитания осветителя. Похожий эффект возникает при наблюдении вращающихся объектов в мелькающем свете, при совпадении (кратности) частот вращения объектов и изменения светового потока во времени в осветительных установках. Мерой борьбы с этим явлением является синхронизация кадровой частоты с фазой питающего напряжения. Контраст объектов относительно фона Чувствительность телекамер сильно зависит от различия в коэффициентах отражения объекта и фона: в формулу (2. разность данных коэффициентов входит в квадрате. Поэтому светотехнический расчёт системы наблюдения должен производиться с учётом ожидаемых контрастов классифицируемых объектов относительно фона. Под фоном в данном случае понимается поверхность, прилегающая непосредственно к обнаруживаемому объекту, на которой он рассматривается. Контраст объекта всегда определяют как нормированную разность коэффициентов отражения (яркостей) объекта и фона. Используют различные нормировки: на коэффициент отражения фона, на максимальный коэффициент отражения из пары объект-фон, и на сумму или полусумму коэффициентов отражения объекта и фона. Последнее определение позволяет сравнительно просто связать контраст с достоверностью классификации объектов и поэтому является наиболее универсальным:
Если объект светлее фона, то контраст положителен, если темнее, – то отрицателен. Так как в формулу (2. для чувствительности телекамер разность коэффициентов отражения объекта и фона входит во второй степени, то часто знак контраста опускают, и под ним понимают модуль выражения (3. . Контраст объекта относительно фона считается:
Фон считается:
Чувствительность телекамер в паспортных данных указывают для большого контраста объекта относительно фона (обычно, 85%). Реальные сюжеты обладают гораздо меньшим контрастом. Например, для наблюдения за запретной зоной при охране периметра типична ситуация, когда человек в одежде обнаруживается на фоне почвы и забора. Для этих объектов (в летнее время) характерны коэффициенты отражения, представленные в табл. 3.6 . Таблица 3.6.  Усреднение разности коэффициентов отражения для различных сочетаний объектов и фонов дает ориентировочное значение контраста 0.1 В соответствии с приведённой классификацией это означает, что обычно контраст – малый. В зимнее время контраст может оказаться больше, но только для неискушенного нарушителя. Это значение примерно в 5–6 раз меньше фигурирующего в паспортных данных на телекамеры. Поэтому при расчете требуемой освещенности следует вводить поправку на реальную чувствительность, увеличивая требуемое значение освещённости. Инфракрасная подсветка Видеонаблюдение для обеспечения безопасности предполагает получение удовлетворительного изображения объекта при любых условиях освещенности. Это относится как к закрытым помещениям с выключенным либо дежурным освещением, так и к объектам на открытом воздухе вне зависимости от расположения зоны наблюдения, времени суток и погодных условий. То, что телекамера воспринимает излучение в более широком диапазоне длин волн, позволяет в некоторых специальных случаях с помощью инфракрасной подсветки обеспечить наблюдение в условиях, когда глаз (в том числе и нарушителя) ничего не видит. Необходимо выделить два случая применения инфракрасной подсветки. В первом случае требуется как максимум невидимость рассеянного или отраженного диффузно светового потока, но допустимо демаскирующее свечение самих источников излучения. При этом возможно применение излучателей с длинами волн, большими 715 нм. Во втором – требуется безусловная невидимость самого излучателя, даже при прямом визуальном наблюдении его с близкого расстояния. Для этого применяются излучатели с длинами волн, превышающими 830 нм. Все инфракрасные источники света, используемые в охранном ТВ, можно разделить на две большие группы . К давно известным и широко распространенным осветителям можно отнести различные ИК-прожекторы с галогенными лампами накаливания, предназначенные для использования как на улице, так и внутри помещения. Эффективность их достаточно высока вследствие спектрального максимума в области 1.0 мкм для излучателя из вольфрама с температурой 2800…3000°С (см. рис 3. . Типовые значения мощности ламп, применяемых в ИК-прожекторах, составляют 300 или 500 Вт, срок службы – 2000…3000 ч при напряжении питания 220 В. В последнее время разработаны миниатюрные лампы с напряжением питания 12 В постоянного тока мощностью 20, 50 и 75 Вт, оборудованные позолоченным рефлектором для увеличения светоотдачи в переднюю полусферу. Для выделения ИК-области и подавления видимой части спектра излучения используются дисперсионные фильтры на основе ИК-стекол. В редких случаях для решения специальных задач возможно применение интерференционных фильтров. Ширина диаграммы направленности ИК-прожекторов обычно составляет от 8x8˚ до 60x60˚. Типовой ряд углов включает значения 10, 30 и 60˚. Ориентировочная дальность наблюдения с применением ИК-прожекторов составляет: 150…200 м для прожекторов мощностью 500 Вт; 80…120 м для прожекторов мощностью 300 Вт; 15…30 м для осветителей мощностью 50 Вт и 5…15 м для осветителей мощностью 20 Вт. Для более точного расчёта дальности следует учесть спектр излучения прожектора и коэффициент использования матрицей ПЗС излучённой прожектором мощности. Даже при 100%-м квантовом выходе коэффициент использования энергии прожектора невелик, так как большая часть энергии инфракрасного излучения находится за пределами «красной границы» кремниевых ПЗС, т. е. на длинах волн более 1.1 мкм:  Типовые значения отношения номинальной мощности к преобразованной телекамерой в видеосигнал матрицами ПЗС (т.е. коэффициент использования световой энергии ИК-прожектора матрицей ПЗС, %) с учётом уменьшения квантового выхода в ИК-области спектра приведены в табл. 3.7. Таблица 3.7  Для ИК-излучения справедлив закон квадратичного ослабления при увеличении дальности (формула (3. ). Вместе с тем, при использовании направленных источников излучения облучённость должна рассчитываться с учётом коэффициента направленного действия прожектора. Этот коэффициент пропорционален отношению полного телесного угла сферы 4π к значению телесного угла диаграммы направленности и зависит от типа рефлектора, используемого в прожекторе. Для ширины диаграммы направленности 10˚ максимальное значение коэффициента направленного действия может достигать нескольких сот, уменьшаясь на порядок при ширине диаграммы направленности 30˚. Неравномерность облучённости сцены может привести к тому, что схемы автоматической регулировки чувствительности телекамеры в качестве опорного сигнала будут использовать видеосигнал от объектов, расположенных на переднем плане. В этом случае даже при достаточной облучённости объектов заднего плана они будут воспроизводиться ТВ-системой в виде тёмного фона. Для выравнивания облучённости в поле зрения ТВ-камеры полезно использовать специальные излучатели, имеющие диаграмму направленности в вертикальной плоскости, описываемую функцией cosec2α (α – угол объект–облучатель–горизонт подсветки). Например, такой осветитель с мощностью 300 Вт обеспечивает равномерную облучённость 60 мВт/м2 на дистанции до 100 м в горизонтальном угле 30˚. В последнее время всё большее применение находят полупроводниковые ИК-осветители. К их основным преимуществам в сравнении с галогенными лампами накаливания можно отнести большую спектральную яркость на рабочей длине волны, существенно больший ресурс, достигающий 100 тыс. ч и меньшие эксплуатационные расходы. Рабочий диапазон длин волн светодиодов целиком расположен в ИК-области с центральной длиной волны 880...950 нм при ширине спектра по уровню 0.5 не более 100 нм. Основной технической проблемой для полупроводниковых ИК-осветителей является обеспечение эффективного отвода тепла от площадки светодиода. От этого зависят допустимый ток и световой поток единичного излучателя, а следовательно, необходимое суммарное количество светодиодов и в конечном итоге – размеры и себестоимость всего прожектора. Строгий расчёт эффективной облучённости наблюдаемой сцены с применением ИК-источников подсветки достаточно сложен, так как должен учитывать спектральные характеристики облучателя и фотоприёмника, а также их температурные изменения. Поэтому производители, как правило, дают диапазон возможных предельных дальностей наблюдения при использовании ИК-осветителя совместно с типовой телекамерой. С одной стороны, это обусловлено неопределенностью способа измерения чувствительности ТВ-камеры, с другой – существенной зависимостью контраста от длины волны. Например, растительность на фоне строений в видимой области имеет отрицательный контраст, а на длинах волн около 1 мкм – положительный. Читайте далее:  О системах видео-аудиопротокола в казино подход, организация, оснащение Большинство американцев поддерживают увеличение числа камер видеонаблюдения Говорит и показывает Возможности сетевого видеонаблюдения Вопросы корректности реализации механизмов защиты от нсд добавочными средствами Биометрия на страже калифорнийских автоматов по продаже лекарственной марихуаны Причины, по которым французам лучше, чем американцам, удается бороться с терроризмом Ip- контрреволюция Dx-tl304e – новый dvr компании mitsubishi electric Взгляд на видео сжатие h.264 Сомнения по поводу системы видеонаблюдения в вашингтоне Пентиум и безопасность Видеосерверы от atv inc. - мифы и реальность
|
