Φωτισμός και απόκριση καμερών

Η ικανότητα αποτελεσματικής επιτήρησης στηρίζεται στο σωστό και αποτελεσματικό φωτισμό της επιτηρούμενης περιοχής και στην ταχύτατη προσαρμογή των καμερών στις διάφορες συνθήκες φωτισμού.

Ο φωτισμός είναι ο κρίσιμος παράγοντας κατά το σχεδιασμό ενός συστήματος CCTV. Είτε η εφαρμογή βρίσκεται σε εξωτερικό ή εσωτερικό χώρο είτε λειτουργεί ολόκληρο το 24ωρο ή μόνο τις νυχτερινές ώρες, το ποσό του διαθέσιμου φωτός καθώς και τα φασματικά χαρακτηριστικά του, πρέπει να μελετηθούν, να εκτιμηθούν και να συγκριθούν με την ευαισθησία των καμερών που χρησιμοποιούνται.

Στις εφαρμογές CCTV ισχύει το εξής αξίωμα: όσο περισσότερο φως, τόσο καλύτερης ποιότητας εικόνα παράγεται. Η ποιότητα της εικόνας που εμφανίζεται στην οθόνη παρακολούθησης, επηρεάζεται από το πόσο φως είναι διαθέσιμο και πόσο καλά ανταποκρίνεται το φωτοευαίσθητο στοιχείο της κάμερας στα χρώματα της πηγής του φωτός.

Ως φως, χαρακτηρίζουμε τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που γίνονται αντιληπτά από το ανθρώπινο μάτι. Η οπτική περιοχή βρίσκεται μεταξύ των μηκών κύματος 400nm έως 700nm. Το 400nm είναι το μήκος κύματος που αντιστοιχεί στο μπλε χρώμα, ενώ τα 700nm είναι το μήκος κύματος που αντιστοιχεί στο κόκκινο. Οι ακτινοβολίες με μήκος κύματος μικρότερο από 400nm ονομάζονται υπεριώδεις (ακτίνες Χ, ακτίνες γ κ.λπ.), ενώ οι ακτινοβολίες με μήκος κύματος μεγαλύτερο από 700nm ονομάζονται υπέρυθρες. Οι περισσότερες μονόχρωμες κάμερες αποκρίνονται στην ορατή περιοχή, αλλά και σε μέρος της υπέρυθρης περιοχής του φάσματος, ενώ οι έγχρωμες κάμερες αποκρίνονται μόνο στην ορατή περιοχή.
Η μέγιστη ευαισθησία του ανθρώπινου ματιού είναι στην περιοχή των 550 nm (περιοχή κιτρινοπράσινου) και το ανθρώπινο μάτι μπορεί να διακρίνει παραπάνω από 1000 χρώματα. Όταν λοιπόν υπάρχουν μαζί όλα τα χρώματα, το ανθρώπινο μάτι δεν μπορεί να τα ξεχωρίσει, με αποτέλεσμα να βλέπουμε λευκό φως. ¶ρα, το λευκό φως δεν αντιστοιχεί σε ένα μήκος κύματος, αλλά σε πολλά. Ο διαχωρισμός του λευκού φωτός στα χρώματα από τα οποία αποτελείται μπορεί να γίνει με τη βοήθεια ενός πρίσματος. Έτσι, το λευκό χρώμα μπορεί να παραχθεί από τα χρώματα κόκκινο (Red), πράσινο (Green), μπλε (Blue). Τα χρώματα αυτά ονομάζονται βασικά. Αν αναμίξουμε ανά δύο τα βασικά χρώματα, παράγονται τα συμπληρωματικά χρώματα (κίτρινο, πορφυρό, κυανό).
Σε μια σύγχρονη CCTV κάμερα, το βασικό στοιχείο είναι ο φωτοευαίσθητος ανιχνευτής τον οποίο χρησιμοποιεί για να μετατρέψει το φως σε ηλεκτρικό σήμα. Τα CCDs έχουν σχεδιαστεί και παραχθεί με βάση την απόκριση στο φως του ανθρώπινου ματιού. Επομένως παρουσιάζουν τη μέγιστη ευαισθησία στην περιοχή του κιτρινοπράσινου και έχουν μηδενική ευαισθησία στην υπεριώδη περιοχή. Εντούτοις διαθέτουν ευαισθησία στην υπέρυθρη (InfraRed) περιοχή, δηλαδή από 700nm -1000nm, ενώ κάποια CCD έχουν ευαισθησία έως 1200nm.
Για να μπορέσουν τώρα να αποδοθούν σωστά τα χρώματα μιας εικόνας, θα πρέπει να είναι γνωστή η θερμοκρασία χρώματος της πηγής του φωτός. Η θερμοκρασία χρώματος μετριέται στην κλίμακα Κέλβιν ( Τ=273+Θ όπου Τ η θερμοκρασία σε 0Κ και Θ η θερμοκρασία σε 0C.). Όταν θερμαίνουμε ένα μέταλλο, κάποια στιγμή θα γίνει κόκκινο (μήκος κύματος 700nm) και όσο μεγαλώνει η θερμοκρασία του θα γίνεται πορτοκαλί, κίτρινο, λευκό και μπλε (μήκος κύματος 400nm). Δηλαδή, όσο αυξάνεται η θερμοκρασία χρώματος, το μήκος κύματος μειώνεται (Για το λόγο αυτό, λέμε «ψυχρό» φως). Η θερμοκρασία χρώματος του λευκού φωτός είναι 5500 0Κ, όση και η θερμοκρασία του φωτός του Ηλίου το μεσημέρι (daylight). Στον πίνακα 1 δίνονται ενδεικτικά τιμές θερμοκρασίας χρώματος κάποιων πηγών φωτός

ΠΙΝΑΚΑΣ 1

Οι κάμερες διαθέτουν τη δυνατότητα εξισορρόπησης (ή ισορροπίας) του λευκού (White Balance). Με τον τρόπο αυτό μπορούν να προσαρμόζονται στις διάφορες πηγές φωτός. Συνήθως, αυτό επιλέγεται να γίνεται αυτόματα. Μια κάμερα που θα ήταν ρυθμισμένη στο φως του ήλιου (5500 0Κ) και το βράδυ θα δούλευε με λαμπτήρα πυρακτώσεως Tungten (3200 0K) θα εμφάνιζε μια πορτοκαλί απόχρωση.
Με τον όρο φωτισμός (illumination) εκφράζεται πόσο φως ακτινοβολείται πάνω σε ένα αντικείμενο, π.χ. ένα βιβλίο. Από την κοινή μας εμπειρία είναι γνωστό ότι ένα βιβλίο θα είναι πολύ φωτισμένο όταν χρησιμοποιούμε μια λάμπα 100W ή όταν το βιβλίο είναι κοντά στη λάμπα. Αντίθετα, όταν χρησιμοποιούμε λάμπα 20W ή όταν το βιβλίο είναι μακριά από τη λάμπα, το βιβλίο δεν είναι επαρκώς φωτισμένο.
Συνοψίζοντας, μπορούμε να πούμε ότι ο φωτισμός εξαρτάται από την πυκνότητα του φωτός που ακτινοβολείται και από την απόσταση μεταξύ της λάμπας και του φωτισμένου αντικειμένου. Η μονάδα μέτρησής του είναι το lux.
To lux είναι ίσο με το φως ενός κεριού, ικανού να φωτίσει ένα αντικείμενο σε απόσταση ενός μέτρου (1m)
Η τιμή του lux μειώνεται αντιστρόφως ανάλογα με το τετράγωνο της απόστασης. Όταν δηλαδή τοποθετήσουμε το αντικείμενο σε απόσταση 2m, τότε το αντικείμενο θα φωτίζεται μόνο από 0.25 lux. Σε απόσταση 3.16m ο φωτισμός πέφτει στα 0.1 lux, στα 10m πέφτει στα 0.01 lux, ενώ στα 31.6m γίνεται μόλις 0.001 lux.
Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι είναι αδύνατο να δούμε ένα βιβλίο με το φως ενός κεριού στα 10m ή στα 31.6m. Έτσι και μια κάμερα είτε είναι έγχρωμη είτε μονόχρωμη, δεν είναι δυνατό να παράγει μια χρήσιμη εικόνα από ένα αντικείμενο που φωτίζεται με 0.001 lux. Αυτή η κάμερα δεν θα παράγει παρά μόνο θόρυβο.
Στην πραγματικότητα, η κάμερα βλέπει το φως που ανακλάται από το αντικείμενο και όχι το φως που προσπίπτει στο αντικείμενο από την πηγή φωτισμού. Αυτό συμβαίνει, γιατί ένα ποσοστό απορροφάται (εξαρτάται από το υλικό της επιφάνειας) και ένα άλλο ποσοστό σκεδάζεται σε διάφορες κατευθύνσεις όπως φαίνεται.

Το ποσό του φωτός που ανακλάται πίσω στην κάμερα, ορίζεται ως το ποσοστό του φωτός που φωτίζει το αντικείμενο. Κάποιες τυπικές τιμές για το ποσοστό της ανάκλασης που δημιουργούν διάφορα περιβάλλοντα, δίνονται στον πίνακα 2.

ΠΙΝΑΚΑΣ 2

Ένας άλλος παράγοντας που επηρεάζει το φως που θα φτάσει στο CCD μιας κάμερας είναι η οπτική ταχύτητα (f-stop) του φακού που χρησιμοποιείται. Το ποσό του φωτός που θα φτάσει τελικά στο CCD εξαρτάται από τον παράγοντα C=1/4f2.
Δηλαδή, αν τελικά φτάνουν στην κάμερα 0.5 lux με το f-stop ρυθμισμένο στην τιμή 2 (μετά από διάφορες ανακλάσεις, σκεδάσεις κ.λπ.) στο CCD θα φτάσουν
0.5*1/4f2=0.5*1/(4*22)=0.031 lux. Στην πραγματικότητα, επειδή το φως περνώντας μέσα από το φακό θα υποστεί απώλειες, η παραπάνω τιμή θα είναι ακόμα μικρότερη.
Με χρήση φίλτρων που «κόβουν» τα μήκη κύματος της οπτικής περιοχής μπορούμε να φωτίσουμε την περιοχή που επιθυμούμε με υπέρυθρο (IR) φως. Ανάλογα με τα φίλτρα που χρησιμοποιούμε, επιλέγεται και το μήκος κύματος (άρα και η θερμοκρασία χρώματος) της πηγής φωτισμού. Τυπικές περιοχές είναι οι 730nm, 830nm, 850nm και 950nm.
Αξίζει να αναφέρουμε ότι το υπέρυθρο φως δεν μπορεί να μετρηθεί με τη μονάδα lux. Αυτή έχει οριστεί μόνο για την ορατή περιοχή. Έτσι, συνήθως χαρακτηρίζεται με την ισχύ (σε Watt) της λάμπας που χρησιμοποιείται. Το ποσό της ενέργειας που παράγεται από τις πηγές του υπέρυθρου φωτός εξαρτάται κυρίως από δύο παράγοντες. Την πυκνότητα της πηγής του υπέρυθρου φωτός και τη γωνία της δέσμης που ακτινοβολείται. Η πυκνότητα της πηγής του φωτός εξαρτάται από το σχεδιασμό του ανακλαστήρα και τον τύπο της λάμπας που χρησιμοποιείται. Όλοι αυτοί οι παράγοντες επηρεάζουν τη συνολική απόδοση της μεταφοράς του υπέρυθρου φωτός στην υπό επιτήρηση περιοχή.
Ένα πρόβλημα που παρουσιάζεται με τον υπέρυθρο φωτισμό είναι ότι ακολουθεί το νόμο του αντίστροφου τετραγώνου. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι τα κοντινά σημεία της περιοχής που φωτίζεται, θα είναι λαμπρότερα από τα πιο μακρινά. Έτσι, συχνά και οι φακοί αυτόματης ίριδας δεν μπορούν να ανταποκριθούν ταυτόχρονα και στις δύο συνθήκες.
Είναι σημαντικό για την επιλογή της κατάλληλης IR πηγής να μελετηθεί η κατανάλωση ισχύος, η διάρκεια ζωής και το κόστος της πηγής, ώστε να επιτευχθεί ο καλύτερος λόγος κόστους/απόδοσης, που έχει ιδιαίτερη αξία για τους τελικούς χρήστες.
Σύμφωνα με τις βασικές αρχές που αναπτύχθηκαν γίνεται αντιληπτός ο σημαντικός ρόλος που έχει για καλή ποιότητα εικόνας μιας επιτηρούμενης περιοχής, η κατάλληλη επιλογή της πηγής φωτός και ο επαρκής φωτισμός της περιοχής. Έστω και αν χρησιμοποιείται ο τελειότερος εξοπλισμός για τη συλλογή, απεικόνιση και καταγραφή της εικόνας αν δεν έχει γίνει καλή μελέτη για το φωτισμό, το αποτέλεσμα θα είναι κακής ποιότητας εικόνα.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ-ΠΗΓΕΣ

1. Mike Constant and Philip Ridgeon " The Principles and Practice of CCTV" 3rd edition, Constant Consultans 2005
2. Herman Kruegle "CCTV SURVEILLANCE video practices and technology".  
   Butterworth-Heinemann 1995.
3. Neil Cumming " A Guide to Security System Design and Equipment 
   Selection and Installation". Butterworth-Heinemann 1992
4. www.cctv-focus.com 
5. www.DerwentCCTV.com