Камеры без ИК фильтра

Пятьдесят оттенков инфракрасного

Не знаю как вам, а мне всегда было интересно: как выглядел бы мир, если бы цветовые каналы RGB в глазу человека были чувствительны к другому диапазону длин волн? Порывшись по сусекам, я обнаружил инфракрасные фонарики (850 и 940нм), комплект ИК фильтров (680-1050нм), черно-белую цифровую камеру (без фильтров вообще), 3 объектива (4мм, 6мм и 50мм) расчитанные на фотография в ИК свете. Что-ж, попробуем посмотреть.
На тему ИК фотографии с удалением ИК фильтра на хабре уже писали — на этот раз у нас будет больше возможностей. Также фотографии с другими длинами волн в каналах RGB (чаще всего с захватом ИК области) — можно увидеть в постах с Марса и о космосе в целом.

Это фонарики с ИК диодами: 2 левых на 850нм, правый — на 940нм. Глаз видит слабое свечение на 840нм, правый — только в полной темноте. Для ИК камеры они ослепительны. Глаз похоже сохраняет микроскопическую чувствительность к ближнему ИК + излучение светодиода идет с меньшей интенсивностью и на более коротких (=более видимых) длинах волн. Естественно, с мощными ИК светодиодами нужно быть аккуратным — при везении можно незаметно получить ожег сетчатки (как и от ИК лазеров) — спасает лишь то, что глаз не может излучение в точку сфокусировать.
Черно-белая 5-и мегапиксельная noname USB камера — на сенсоре Aptina Mt9p031. Долго тряс китайцев на тему черно-белых камер — и один продавец наконец нашел то, что мне было нужно. В камере нет никаких фильтров вообще — можно видеть от 350нм до ~1050нм.

Объективы: этот на 4мм, еще есть на 6 и 50мм. На 4 и 6мм — рассчитанные на работу в ИК диапазоне — без этого для ИК диапазона без перефокусировки снимки получались бы не в фокусе (пример будет ниже, с обычным фотоаппаратом и ИК излучением 940нм). Оказалось, байонет C (и CS с отличающимся на 5мм рабочим отрезком) — достался нам еще от 16мм кинокамер начала века. Объективы до сих пор активно производятся — но уже для систем видеонаблюдения, в том числе и известными компаниями вроде Tamron (объектив на 4мм как раз от них: 13FM04IR).

Фильтры: нашел опять у китайцев комплект ИК фильтров от 680 до 1050нм. Однако тест на пропускание ИК излучения дал неожиданные результаты — это похоже не полосовые фильтры (как я себе это представлял), а похоже разная «плотность» окраски — что изменяет минимальную длину волны пропускаемого света. Фильтры после 850нм оказались очень плотными, и требуют длинных выдержек. IR-Cut фильтр — наоборот, пропускает только видимый свет, понадобится нам при съемке денег.
Фильтры в видимом свете:

Фильтры в ИК: красный и зеленый каналы — в свете 940нм фонарика, синий — 850нм. IR-Cut фильтр — отражает ИК излучение, потому у него такой веселенький цвет.

Приступим к съемке

Панорама днем в ИК: красный канал — с фильтром на 1050нм, зеленый — 850нм, синий — 760нм. Видим, что деревья особенно хорошо отражают именно самый ближний ИК. Цветные облака и цветные пятна на земле — получились из-за движения облаков между кадрами. Отдельные кадры совмещались (если мог быть случайный сдвиг камеры) и сшивались в 1 цветную картинку в CCDStack2 — программа для обработки астрономических фотографий, где цветные снимки часто делают из нескольких кадров с различными фильтрами.



Панорама ночью: видно отличие по цвету разных источников света: «энергоэффективные» — синие, видны только в самом ближнем ИК. Лампы накаливания — белые, светят во всем диапазоне.

Книжная полка: практически все обычные объекты практически бесцветны в ИК. Либо черные, либо белые. Лишь некоторые краски имеют выраженный «синий» (коротковолновый ИК — 760нм) оттенок. ЖК экран игры «Ну погоди!» — в ИК диапазоне ничего не показывает (хотя работает на отражение).
Сотовый телефон с AMOLED экраном: совершенно ничего не видно на нем в ИК, равно как и синего индикаторного светодиода на подставке. На заднем фоне — на ЖК экране также ничего не видно. Синяя краска на билете метро прозрачна в ИК — и видна антенна для RFID чипа внутри билета.
На 400 градусах паяльник и фен — довольно ярко светятся:

Звезды

Известно, что небо голубое из-за Рэлеевского рассеяния — соответственно в ИК диапазоне оно имеет намного мЕньшую яркость. Возможно ли увидеть звезды вечером или даже днем на фоне неба?
Фотография первой звезды вечером обычным фотоаппаратом:
ИК камерой без фильтра:
ИК камерой с ИК фильтром: похоже соотношение сигнал/шум по меньшей мере на порядок лучше, при статистической обработке сотен и тысяч кадров найти звезды днем может быть возможно. Съемка в ИК может быть спасением для «городской астрономии» — паразитная засветка неба городом также намного меньше.
Еще один пример первой звезды на фоне города:

Деньги

Первое, что приходит на ум для проверки подлинности денег — это УФ излучение. Однако купюры имеют массу спец.элементов, проявляющихся в ИК диапазоне, в том числе и видимых глазом. Об этом на хабре уже кратко писали — теперь посмотрим сами:
1000 рублей с фильтрами 760, 850 и 1050нм: лишь отдельные элементы напечатаны краской, поглощающей ИК излучение:
5000 рублей:
5000 рублей без фильтров, но с освещением разными длинами волн:
красный = 940нм, зеленый — 850нм, синий — 625нм (=красный свет):
Однако инфракрасные хитрости денег на этом не заканчиваются. На купюрах есть антистоксовские метки — при освещении ИК светом 940нм они светятся в видимом диапазоне. Фотография обычным фотоаппаратом — как видим, ИК свет немного проходит через встроенный IR-Cut фильтр — но т.к. объектив не оптимизирован под ИК — изображение в фокус не попадает. Инфракрасный свет выглядит светло-сиреневым потому, что RGB фильтры Байера — прозрачны для ИК.
Теперь, если добавить IR-Cut фильтр — мы увидим только светящиеся антистоксовские метки. Элемент выше «5000» — светится ярче всего, его видно даже при не ярком комнатном освещении и подсветке 4Вт 940нм диодом/фонариком. В этом элементе также красный люминофор — светится несколько секунд после облучения белым светом (или ИК->зеленого от антистоксовского люминофора этой же метки).
Элемент чуть правее «5000» — люминофор, светящийся зеленым некоторое время после облучения белым светом (он ИК излучения не требует).

Резюме

Деньги в ИК диапазоне оказались крайне хитрыми, и проверять их в полевых условиях можно не только УФ, но и ИК 940нм фонариком. Результаты съемки неба в ИК — рождают надежду на любительскую астрофотографию без выезда далеко за пределы города.

Механический ИК-фильтр в камерах видеонаблюдения

Механический ИК-фильтр в камерах видеонаблюдения представляет собой специальный сдвигаемый механическим путем инфракрасный фильтр, который непосредственно расположен перед так называемой матрицей камеры наблюдения.
Так, инфракрасный спектр светового излучения является невидимым для глаза человека, однако видеокамера наблюдения способна воспринимать как видимый диапазон спектра светового излучения, так и самый ближний инфракрасный диапазон с линией спектра равной от 700 нм до 1000 нм. При этом та часть света, которая хорошо видима людским глазом, находится в диапазоне волн длинной в пределах от 380 нанометров до 780 нм, при этом инфракрасное (ИК) излучение находится в спектре от верхней максимальной границы света, который видим глазом человека и составляет, как было указано ранее, 780 нм и до предела 2000 мкм.
Применительно к видеокамерам наблюдения, в дневное время суток ИК излучение оказывает существенное влияние на получение качества видео изображения, что влечет за собой значительное искажение цветовой передачи и уровня контраста, а также приводит к размытию получаемой картинки ввиду того, что в диапазоне длин волн широком происходит преломление излучения объективом камеры видеонаблюдения неодинаково.
Инфракрасное излучение в ночное время суток видеокамерой используется с целью достижения в темноте наиболее детального изображения либо в условиях с очень низкой освещенностью.
С тем, чтобы как нельзя эффективнее избежать всех нежелательных эффектов побочного типа, которые вызываются в дневное время суток ИК — излучением, встроенный инфракрасный фильтр в установках видеонаблюдения при помощи механического привода специально сдвигается, при этом закрывая матрицу светочувствительного типа видеокамеры. ИК-фильтр в ночное время суток сдвигается в сторону.
При нормальном дневном освещении, инфракрасный фильтр камеры видеонаблюдения отсекает ту часть излучения света, которая препятствует получению нормального изображения, максимально корректируя при этом цветопередачу. Таким образом, благодаря слаженной совместной работе вышеуказанного специального механического ИК-фильтра вместе с режимом день/ночь, камера наблюдения обеспечивает максимально четкое и доступное изображение как в дневное время суток, так и в ночное. Данный фильтр является на сегодняшний день самым оптимальным и рациональным решением для его применения в круглосуточной системе видеонаблюдения при осуществлении надзора.

Что такое ИК-фильтр?

Что такое ИК-фильтр?

ИК-фильтр – это цветной фильтр света, предназначенный для блокировки инфракрасных волн.

Оснований для применения ИК-фильтра как минимум две. Во-первых, он необходим для получения реально отображаемых цветов на изображении во время съемки в темное время суток или слабоосвещенных объектов. Все дело в том, что орган человеческого зрения – глаз, способен различить меньшее количество цветов, нежели современная камера видеонаблюдения с чипом CCD. Наряду с этим существует разница и при съемке в ближнем инфракрасном диапазоне, поскольку важно различие между естественным дневным освещением и ИК излучением. Оно заключается в неправильном с точки зрения человеческого глаза цветовом исполнении изображения, поскольку камера видит те цвета, которые остаются неразличимыми для оператора. Присутствие ИК-фильтра позволяет устранить данное разногласие и максимально приблизить цвета и оттенки к привычному уровню восприятия человека.

Во-вторых, ИК-фильтр служит для расширения возможностей цветокоррекции объектива, поскольку создать единое решение и реализовать оптику с возможностью адекватного отображения видимого изображения и инфракрасного излучения практически невозможно.

Парадоксы и недоразумения использования ИК-подсветки с цветными видеокамерами

В рубрику «Видеонаблюдение (CCTV)» | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций

Применение цветных камер с ИК-подсветкой имеет ряд особенностей и весьма спорных моментов. Рассмотрим подробнее некоторые парадоксы и недоразумения современного применения ИК-подсветки в системах видеонаблюденияНиколай Чура
Независимый эксперт

Инфракрасная подсветка продолжает играть существенную роль в обеспечении ночного видеонаблюдения или наблюдения в условиях недостаточной освещенности. Она практически неизбежна при скрытом теленаблюдении, если не применять эксклюзивные камеры сверхвысокой чувствительности или тепловидение. Вместе с тем ее широкое применение в случаях открытого наблюдения можно отнести к неким парадоксам или недоразумениям. Особенно если это касается цветных камер с режимом «день/ночь», которые при ИК-подсветке естественно переходят в черно-белый режим, утрачивая цветовую информацию.

Развенчание ИК-мифа

Некая эксклюзивная эффективность ИК-подсветки не вполне соответствует реальности ни по эффективности самих излучателей, ни по использованию данного излучения телекамерой. Так, например, эффективность преобразования энергии питания светодиодов в практически монохромное ИК-излучение в диапазоне 850–950 нм не превышает 10–13% (КПД). Из современных источников видимого света этому уступают только традиционные и устаревшие лампы накаливания (4,5–6,8%). КПД остальных распространенных современных источников света лежит в диапазоне от 10–14% для галогенных и до 23–36% для люминесцентных ламп. КПД металлогалогенных и натриевых ламп достигает даже 45–60%.

Эффективность же использования телекамерой (чувствительность на длине волны генерации светодиода относительно интегрального видимого спектра) излучения ИК-подсветки 850 и 950 нм составляет около 7 и 4% для CCD Exview HAD. Для самых современных матриц SONY CCD Exview HAD II и CMOS Exmor эта эффективность достигает 16 и 12% соответственно.

Очевидно, при любой возможности предпочтительно использовать видимое (белое) освещение, тем более для цветных камер, пусть даже это будет режим «ночь»

Повсеместный «день/ночь»

Цветные камеры в сравнении с черно-белыми по принципу действия имеют меньшую чувствительность. Это происходит в результате неизбежных потерь в цветовых фильтрах и использования каждым пикселем только части цветового спектра. В CCD-матрицах, традиционно работающих с четырехцветной системой CMYK, такие потери почти в два раза меньше, чем в CMOS-матрицах с трехцветной системой RGB.

Для увеличения чувствительности современные цветные камеры практически повсеместно снабжаются режимом «день/ночь». В первую очередь это реализуется за счет расширения спектрального диапазона чувствительности в инфракрасную (ИК) область. Причем в основном за счет коротковолновой ИК-области от 700 до 850 нм. Различают две основные технологии режима «день/ночь».

1. Технология начального уровня с постоянной ИК-чувствительностью – то есть с заведомо более высокой чувствительностью в сравнении с типовой камерой цветного изображения. В этом случае перед производителем всегда стоит нелегкий выбор. Получить максимальную чувствительность за счет энергии ИК-области или адекватную цветопередачу при смешанном искусственном освещении и в дневное время. Особенно серьезные цветовые искажения наблюдаются при освещении лампами накаливания и галогенными осветителями с преобладанием ИК-составляющей (вспомним их КПД, все остальное уходит в тепло с максимумом на 1000 нм).

2. Технология «день/ночь» с подвижным ИК-фильтром (ICR или IRC) – самая оптимальная и сейчас наиболее широко применяемая. Благодаря совершенствованию и расширению производства подобных устройств с электромагнитным или магнитоэлектрическим управлением их стоимость значительно снизилась. Часто управляемый фильтр совмещается с малогабаритным вариофокальным объективом. В этом случае используется тонкая пластиковая пленка с напыленным интерференционным фильтром.

Более сложные системы со сменными матрицами или отдельными модулями цветного и черно-белого изображения имеют существенную стоимость и не нашли широкого применения, несмотря на самые лучшие возможности по качеству изображения и чувствительности.

Часто еще встречаются довольно бессмысленные модели «день/ночь» просто с отключением цветности при уменьшении освещенности. Подобные видеокамеры не имеют никаких преимуществ по сравнению с типовыми камерами цветного изображения.

Эксперимент

На фото 1 приведен счетверенный стоп-кадр, полученный телекамерой цветного изображения (color), камерой «день/ночь» без ИК-чувствительности (dn), камерой с постоянной ИК-чувствительностью (dn ir) и камерой с подвижным управляемым ИК-фильтром (dn cut). Освещение в измерительной камере производится лампами накаливания. Отчетливо заметны искажения цвета в камере с постоянной ИК-чувствительностью. Примечательно, что особенно подвержены изменению цвета синтетические материалы.

На фото 2 приведен стоп-кадр, полученный аналогичными камерами при минимальной освещенности. Все три камеры «день/ночь» перешли в черно-белый режим. Однако видно, что контрастность и яркость изображений цветной камеры и камеры «день/ночь» без ИК-чувствительности практически идентичны и явно уступают камерам с расширенным в область ИК спектральным диапазоном чувствительности.

Естественно, только камеры «день/ночь» с ИК-чувствительностью могут работать с ИК-подсветкой. Однако реальная чувствительность в области ИК, а уже тем более на конкретной длине волны ИК-осветителя, остается для потребителя «тайной за семью печатями». Отчасти и поэтому тоже такой популярностью пользуются телекамеры цветного изображения «день/ночь» со встроенной ИК-подсветкой. В таком случае производитель сообщает (если, конечно, это правда), на какой дальности можно вести наблюдение.

Если же вы применяете отдельный ИК-осветитель с телекамерой цветного изображения «день/ночь», вам не избежать «проб», а может быть «и ошибок». Причем, как правило, несколько мифические данные о ночной чувствительности в люксах здесь не помогут, поскольку ИК-излучение в люксах не нормируется. Для иллюстрации этой ситуации на фото 3 приведен стоп-кадр упомянутых выше камер при предельно малой освещенности от ламп накаливания.

Очевидно, что камера с постоянной ИК-чувствительностью имеет существенно меньшую интегральную чувствительность в сравнении с камерой ICR (cut). С другой стороны, при освещении ИК-осветителем с длиной 930 нм изображения этих камер практически идентичны, что представлено на фото 4. К сожалению, нам никогда не известны даже относительные спектральные характеристики чувствительности камер «день/ночь». И в данном случае информация производителей сенсоров нам помочь не в состоянии, поскольку весьма редко распространяется на ИК-диапазон в сравнении с черно-белыми сенсорами.

На рис. 1 (см. стр. 72) приведена спектральная характеристика чувствительности одной из самых популярных сейчас CCD-матриц – SONY Super HAD II, которая, как мы видим, нормируется только в видимом диапазоне.

Естественно, ее можно интерполировать в область ИК, учитывая ход аналогичных характеристик черно-белых сенсоров. Но мы же не знаем, какие фильтры использует производитель. Ведь даже камеры с ICR имеют порой серьезную чувствительность в области ИК. Очевидно этот «тренд» обусловлен стремлением вытянуть большую чувствительность в цветном (дневном) режиме.

Борьба с цветовыми искажениями

В последнее время на рынке стали появляться интересные модели с постоянной ИК-чувствительностью, но лишенные упомянутых выше серьезных цветовых искажений. Это достигается применением специального ИК-фильтра IRC 40 с узкой полосой прозрачности на длине волны генерации ИК-осветителя. При этом камера хорошо воспринимает излучение ИК-подсветки, вместе с тем эффективная фильтрация всего ИК-диапазона снижает цветовые искажения. Естественно, при этом существенного роста интегральной чувствительности камеры здесь не происходит.

Такие фильтры иногда называют байпас-фильтрами. Типовые характеристики пропускания срезающих ИК-фильтров приведены на рис 2 (см. стр. 72). Подобная технология позволяет создавать цветные камеры со встроенной ИК-подсветкой без подвижного фильтра, но с минимальными цветовыми искажениями. Правда чувствительность к естественному, да и к искусственному, широкополосному освещению здесь практически не растет.

Опубликовано: Журнал «Системы безопасности» #5, 2013
Посещений: 18070

Автор

Чура Н.И.Технический консультант ООО «Система СБ» и ООО «Микровидео /Группа».

Всего статей: 57

В рубрику «Видеонаблюдение (CCTV)» | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций

Камеры без ИК фильтра

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *