Ευαισθησία φωτισμού: Ένας κρίσιμος παράγοντας με αμφιλεγόμενη ερμηνεία

Ένας από τους όρους που συναντάμε συχνότερα όσον αφορά στις προδιαγραφές των καμερών CCTV είναι η ευαισθησία φωτισμού ή «light sensitivity». Το συγκεκριμένο χαρακτηριστικό βοηθάει τον εγκαταστάτη να γνωρίζει πώς θα συμπεριφέρεται μία κάμερα, ανάλογα με το πόσο χαμηλές συνθήκες φωτισμού επικρατούν.

Ο φωτισμός αποτελεί βασική προϋπόθεση για την ποιότητα μιας εικόνας σε ένα σύστημα επιτήρησης. Σαν γενικός κανόνας ισχύει ότι όσο καλύτερα φωτισμένος είναι ο χώρος που επιτηρεί η κάμερα, τόσο καλύτερη θα είναι η ποιότητα της εικόνας – εκτός φυσικά από τις εξαιρέσεις κατά τις οποίες υπάρχει υπερφωτισμός. Εάν ο φωτισμός δεν είναι επαρκής, τότε η εικόνα θα είναι θολή και με κόκκους

Εδώ ακριβώς υπεισέρχεται η ικανότητα της κάμερας να λαμβάνει καθαρές εικόνες ακόμα και σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού. Έτσι λοιπόν η ένταση του φωτισμού που απαιτείται για την καταγραφή εικόνων υψηλής ποιότητας εξαρτάται και από τα τεχνικά χαρακτηριστικά της κάμερας – και πιο συγκεκριμένα από την «ευαισθησία φωτισμού». Με απλούστερα λόγια, όσο πιο σκοτεινός είναι ένας χώρος, τόσο πιο ευαίσθητη στο φωτισμό θα πρέπει να είναι η κάμερα που χρησιμοποιείται. Η μέτρηση της ευαισθησίας φωτισμού γίνεται με τη χρήση των μονάδων lux και όσο μικρότερος είναι ο αυτός ο αριθμός των lux, τόσο πιο ευαίσθητη είναι μία κάμερα.
Αρκετά χρόνια πριν, οι τιμές ευαισθησίας φωτισμού των καλών έγχρωμων καμερών κυμαίνονταν από 10 έως 8 lux και μερικές φορές στα 6 lux. Σήμερα είναι πολύ πιθανό διαβάζοντας τα τεχνικά χαρακτηριστικά των καμερών να βλέπουμε τιμές της τάξεως των 0,0001 lux ή ακόμα μικρότερες. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι οι κάμερες βελτιώθηκαν σε τέτοιο επίπεδο. Οι κάμερες πάντα απαιτούσαν φωτισμό για τη λειτουργία τους, ο οποίος έπεφτε πάνω στον αισθητήρα τύπου CCD, τον ενεργοποιούσε και στη συνέχεια το φως μετασχηματιζόταν σε εικόνα. Με την πάροδο του χρόνου δεν έχει μεταβληθεί τόσο η απαιτούμενη ένταση φωτισμού (σαφώς και υπάρχει μια βελτίωση, αλλά όχι αυτή που απεικονίζεται στα νούμερα) αλλά αυτό που έχει αλλάξει σημαντικά είναι οι προδιαγραφές βάσει των οποίων γίνονται οι διάφορες μετρήσεις. Το πρόβλημα το οποίο δημιουργεί σύγχυση σε όσους καλούνται να επιλέξουν είναι ότι οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν διαφορετικές μεθόδους μέτρησης της ευαισθησίας φωτισμού των προϊόντων τους. Πολλοί μάλιστα αποφεύγουν να χρησιμοποιούν τον όρο «ευαισθησία φωτισμού» και προτιμούν τη χρήση του όρου «ελάχιστος φωτισμός» (minimum illuminatio). Οπότε αντιλαμβανόμαστε πόσο δύσκολο είναι για τους τελικούς χρήστες να επιλέξουν το μοντέλο βάσει της απόδοσης που θέλουν να πετύχουν στο συγκεκριμένο πεδίο.

Μετρήσεις της ευαισθησίας φωτισμου
Διαπιστώνουμε λοιπόν, πόσο πολύπλοκη είναι η διαδικασία μέτρησης της ευαισθησίας φωτισμού μιας κάμερας. Οι λόγοι είναι αρκετοί, αλλά όλοι βασίζονται στην απροσδιόριστη φύση του ίδιου του μετρούμενου μεγέθους, που είναι το φως.
Καταρχάς η ένταση φωτισμού μετριέται συνήθως με τη χρήση φωτόμετρων. Η ίδια η μέτρηση είναι συνήθως ακριβής, αλλά το πρόβλημα είναι ότι δεν μπορούμε να βασιστούμε σε ένα φωτόμετρο για να μετρήσουμε την ευαισθησία φωτισμού μιας κάμερας, διότι η συσκευή μέτρησης με την κάμερα δεν συγκεντρώνουν την ίδια πληροφορία για το φωτισμό μιας σκηνής. Εμάς, όταν αναφερόμαστε για φωτισμό ή lux, μας απασχολεί κυρίως πώς το φως συγκεντρώνεται στην κάμερα. Το φωτόμετρο μετράει την ποσότητα του προσπίπτοντος φωτός (incident light) σε ένα χώρο, ενώ η κάμερα χρησιμοποιεί το ανακλώμενο φως (reflected light) που είναι η ανάκλαση προσπίπτοντος φωτός καθώς έρχεται σε επαφή με άλλη επιφάνεια προς μία συγκεκριμένη κατεύθυνση. Για το λόγο αυτό εάν χρησιμοποιήσουμε ένα φωτόμετρο σε ένα χώρο στον οποίο υπάρχουν δύο πρόσωπα, το ένα ντυμένο στα μαύρα και το άλλο στα λευκά, θα δείξει την ίδια ένδειξη. Εντούτοις, η ποσότητα του φωτός που χρησιμοποιείται από την κάμερα η οποία θα καλύπτει την ίδια σκηνή, θα διαφέρει κυρίως διότι το πρόσωπο που είναι ντυμένο στα μαύρα αντανακλά λιγότερο φως από εκείνο που είναι ντυμένο στα λευκά (σχήμα 1). Επιπλέον, τα στιλπνά αντικείμενα εκπέμπουν περισσότερο φως από τα θαμπά, ενώ και οι καιρικές συνθήκες επηρεάζουν το εκπεμπόμενο φως. Παραδείγματος χάρη η χιονόπτωση αυξάνει την ένταση του εκπεμπόμενου φωτός, ενώ η βροχή απορροφά σημαντική ποσότητα από το εκπεμπόμενο φως.
Δεύτερον, ειδικά όταν οι κάμερες χρησιμοποιούνται σε φυσικό περιβάλλον, ο φωτισμός γίνεται ακόμα πολυπλοκότερος λόγω των ειδικών συνθηκών που ίσως υπάρχουν (σκιές, κόντρα φωτισμός και σημεία έντονου φωτισμού) και που επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό τον τρόπο με τον οποίο η κάμερα καταγράφει τη σκηνή. Ο κόντρα φωτισμός μπορεί να τοποθετήσει το κυρίως αντικείμενο της σκηνής σε σκοτεινό φόντο, κάνοντας δύσκολη την αναγνώρισή του. Το φως του ήλιου μεταβάλλεται συνεχώς κατά τη διάρκεια της ημέρας, επηρεάζοντας συνεχώς και τις συνθήκες καταγραφής της σκηνής. Για αυτόν το λόγο και μία μέτρηση σε lux δεν προσδιορίζει τις συνθήκες φωτισμού ενός χώρου σε σταθερή βάση, καθώς αυτές μπορεί να μεταβάλλονται συνεχώς. Ειδικότερα πρέπει να λάβουμε υπόψη ότι όταν έχουμε μία μέτρηση φωτισμού σε μία σκηνή, τότε αυτή αντιπροσωπεύει μόνο το φωτισμό του αντικειμένου στο οποίο εστιάζουμε και όχι το περιβάλλον (π.χ. ο φωτεινότερος ουρανός ή το σκοτεινότερο έδαφος δεν λαμβάνονται υπόψη).
Τρίτον, υπάρχουν ορισμένοι τεχνικοί παράγοντες που επηρεάζουν την ευαισθησία φωτισμού μιας κάμερας. Αυτοί οι παράγοντες περιλαμβάνουν το χρόνο έκθεσης (exposure time), τις τιμές f- stop, το μέγεθος και την ποιότητα του αισθητήρα, την ποιότητα των φακών και τη θερμοκρασία χρώματος.
O χρόνος έκθεσης είναι το διάστημα κατά το οποίο ο αισθητήρας της κάμερας είναι εκτεθειμένος στο φως. Όσο μεγαλύτερος είναι ο χρόνος έκθεσης τόσο περισσότερο φως δέχεται ο αισθητήρας βελτιώνοντας την ποιότητα της εικόνας σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού. Το αρνητικό όμως ότι ταυτόχρονα αυξάνεται και η θολότητα των κινούμενων αντικειμένων ενώ μειώνεται και ο αριθμός των frames ανά δευτερόλεπτο καθώς απαιτείται πλέον περισσότερος χρόνος για την έκθεση κάθε frame στο φως.
To F-Stop ή το F-Number είναι μια μέτρηση της δυνατότητας των φακών για την συλλογή του φωτός. Ουσιαστικά είναι ο λόγος του εστιακού μήκους (που είναι η απόσταση μεταξύ του κέντρου του φακού και του σημείου εστίασης) προς την διάμετρο του διαφράγματος (πρόκειται για την ίριδα που ανοίγοντας επιτρέπει στο φως να περάσει μέσω του φακού στον αισθητήρα, σχήμα 2)
Όσο μικρότερο είναι το F-Stop, τόσο καλύτερη είναι η ικανότητα του φακού για να συλλέγει φως. Συχνά, αναγράφεται και ως Fx ή f/x (εστιακό μήκος/ διάφραγμα). Μια τιμή F-Stop της τάξης του F4 σημαίνει ότι η διάμετρος της ίριδας ισούται με το εστιακό μήκος διαιρούμενο με το τέσσερα. Εάν μια κάμερα λοιπόν έχει 8 χιλιοστά φακό, τότε η διάμετρος της ίριδας από την οποία θα περάσει το φως θα έχει τιμή 2 χιλιοστά.
Μέσα σε αυτό το μίγμα παραμέτρων ακόμα και τα επίπεδα IRE συνεκτιμούνται, αν και πρόκειται για ένα αναλογικό μέγεθος το οποίο χρησιμοποιείται μεν στην ψηφιακή τεχνολογία αλλά μέσω σχετικών παραδοχών που δεν είναι απόλυτα προσεγγίσιμες. Για την ακρίβεια το μέγεθος IRE, του οποίου η ονομασία προκύπτει από τα αρχικά Institute Radio Engineers, εκφράζει το σήμα του composite video σε ποσοστιαίους όρους. Ένα ποιοτικά καλό video σήμα είναι εκείνο με διαφορά τάσης 1 volt μεταξύ δύο τιμών peak to peak (το συναντάμε και ως 1V p-p). Μια τιμή IRE λοιπόν είναι το ποσοστό ενός σήματος βίντεο σε σχέση με την τιμή ενός σήματος 1 V p-p. Δηλαδή όταν ένα σήμα έχει τιμή 30 IRE τότε σημαίνει ότι είναι 30% του σήματος 1 V p-p. Τα σήματα βίντεο που έχουν τιμή κάτω από 50 IRE δεν θεωρούνται χρησιμοποιήσιμα ασχέτως αν οι εικόνες που περιέχουν είναι ορατές από τους χρήστες.
Στην πράξη, τώρα αν ένας κατασκευαστής δίνει τιμή ευαισθησίας φωτεινότητας για μια κάμερα του 0,003 lux αλλά σε σήμα βίντεο 30 IRE σημαίνει ότι η κάμερα έχει χαμηλή απόδοση όσον αφορά την ευαισθησία φωτισμού και οι καταναλωτές δεν θα πρέπει να παρασύρονται από την τιμή 0,003 lux αλλά να εξετάζουν και σε τι IRE έγινε αυτή η μέτρηση.
Όλοι αυτοί οι παράγοντες λοιπόν, δίνουν τη δυνατότητα στους κατασκευαστές να προχωρήσουν σε ρυθμίσεις που να αλλοιώνουν εν μέρει τα αποτελέσματα, ώστε να παρουσιάσουν ότι οι δικές τους κάμερες υπερέχουν στον τομέα της ευαισθησίας φωτισμού. Για παράδειγμα, μία αύξηση στο χρόνο έκθεσης (με τη μείωση της ταχύτητας του διαφράγματος) επιτρέπει μεν να περάσει περισσότερο φως στον αισθητήρα, αποτελεί δε έναν εύκολο τρόπο για τη βελτίωση των μετρήσεων. Αυτό που όμως παραγνωρίζεται είναι ότι με τη συγκεκριμένη τεχνική, στην περίπτωση κινούμενου αντικειμένου θα έχουμε περισσότερο κόκκο στην εικόνα. Όμως μερικοί κατασκευαστές δεν επηρεάζονται από αυτό, προκειμένου να βελτιώσουν τα τεχνικά χαρακτηριστικά των προϊόντων τους με αυτόν τον αθέμιτο τρόπο.
Η ύπαρξη του κυκλώματος AGC (Automatic Gain Control) δεν επηρεάζει μεν την ευαισθησία φωτισμού, πλην όμως ενισχύει το σήμα βίντεο προκειμένου να βοηθήσει την κάμερα να καταγράψει μία σκηνή σε χαμηλές συνθήκες φωτισμού. Οπότε και δεν θα πρέπει να συνυπολογίζεται κατά την αξιολόγηση ενός μοντέλου για την ευαισθησία φωτισμού, διότι στην πράξη μαζί με την ενίσχυση του σήματος ενισχύεται ο θόρυβος. Πιο απλά, μπορούμε να το παρομοιάσουμε με το πλήκτρο ρύθμισης της έντασης του ήχου σε ένα ραδιόφωνο. Όταν πιάνουμε ένα σταθμό με θόρυβο, μπορεί αυξάνοντας την ένταση να ακούμε καλύτερα το πρόγραμμα που εκπέμπει, αλλά ταυτόχρονα αυξάνονται και τα παράσιτα.

Επιλέγοντας
Από τη στιγμή λοιπόν που μέχρι σήμερα δεν υπάρχει ένα παγκόσμια αποδεκτό πρότυπο μέτρησης της ευαισθησίας φωτισμού – με αποτέλεσμα ακόμα και οι κορυφαίες εταιρείες του χώρου να μη χρησιμοποιούν τις ίδιες μεθόδους – είναι πολύ δύσκολο για τους καταναλωτές να μπορέσουν να αξιολογήσουν με ακρίβεια τις κάμερες σε αυτό το πεδίο.
Θα πρέπει λοιπόν όταν διαβάζουν τα προσπέκτους να εξετάζουν κάτω από ποιες προϋποθέσεις γίνονται οι μετρήσεις για την ευαισθησία φωτισμού. Οφείλουν να λαμβάνουν υπόψη τους όλα τα τεχνικά στοιχεία που αναφέρθηκαν προηγουμένως στο άρθρο και να προσπαθούν να εκμαιεύσουν από τους πωλητές, αν έχουν περισσότερες πληροφορίες για τις διαδικασίες μετρήσεων που χρησιμοποιεί η συγκεκριμένη εταιρεία. Το καλύτερο φυσικά είναι να προσπαθούν να κάνουν δοκιμαστικά τεστ στις κάμερες στις πραγματικές συνθήκες που θα χρησιμοποιηθούν. Τότε μόνο θα σχηματίσουν μια τεκμηριωμένη άποψη για τις συγκεκριμένες κάμερες και για το πώς καταγράφουν στις συνθήκες φωτισμού στις οποίες και θα λειτουργήσουν. Εάν αυτό δεν είναι εφικτό, ας επιλέξουν κάμερες από κατασκευαστές που τουλάχιστον έχουν αναπτύξει συγκεκριμένες προκαθορισμένες διαδικασίες μετρήσεων οι οποίες είναι καταγεγραμμένες σε εταιρικά εγχειρίδια, καθώς είναι πολύ δύσκολο πλέον να χρησιμοποιήσουν παραπλανητικές τεχνικές.

Του ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΗ ΛΥΜΠΕΡΟΠΟΥΛΟΥ