Sicherheitstechnik
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Elektrotechnik
Einfluss der Beleuchtung in der Videoüberwachung
ep4/2009, 3 Seiten
Beleuchtung als Hauptfaktor In einer Videoüberwachungsanlage wird die erreichbare Qualität des Videobildes von verschiedenen Faktoren entscheidend bestimmt. Einen wesentlichen Faktor stellt die Beleuchtung dar. Sie ist entscheidend für die wirklichkeitsgetreue Darstellung der Bilder. Dabei hat neben der Intensität des Lichtes vor allem die spektrale Zusammensetzung des Lichtes entscheidenden Einfluss. Insbesondere bei Farbanwendungen bestimmt die Art der Lichtquelle (Tafel ) das Ergebnis und führt oft zu einer verfälschten Wiedergabe der Farben. Das beste Licht ist das natürliche Sonnenlicht, aber auch ausgewählte künstliche Lichtquellen für den Innenbereich liefern durch die Weiterentwicklung der CCD (Charge Coupled Device)-Bildaufnehmer zufriedenstellende Ergebnisse. 1.1 Beleuchtung im Außenbereich Als besonders kritisch erweisen sich Tag- und Nachtüberwachungen im Außenbereich. Die Beleuchtungsschwankungen betragen hierbei zwischen 100000 lx am Tag und unter 0,1 lx bis hin zur totalen Dunkelheit in der Nacht. Unter diesen Bedingungen ist eine zusätzliche „künstliche“ Beleuchtung erforderlich. Dabei sind jedoch einige grundlegende Aspekte zu berücksichtigen: Das menschliche Auge nimmt bei Sonnenlicht Gegenstände in den bekannten Grundfarben war. Bei vermindertem Sonnenlicht, z. B. in den Abendstunden, oder bei bestimmten künstlichen Lichtquellen erscheinen dem menschlichen Auge diese Gegenstände in einer anderen Farbtönung. Die Ursache dafür liegt darin, dass die meisten Gegenstände selbst nicht leuchten, sondern das vorhandene - sie anstrahlende Licht - reflektieren. Licht besteht, physikalisch betrachtet, aus elektromagnetischen Wellen. Vom menschlichen Auge werden elektromagnetische Strahlungen zwischen 380 nm und 760 nm wahrgenommen. Unterhalb dieses Bereiches spricht man von ultraviolettem, oberhalb dieses Bereiches von infrarotem Licht. Jede Farbe wird einer bestimmten Wellenlänge zugeordnet, z. B. Strahlen mit 450 nm als Blau, 520 nm als Grün, 560 nm als Gelb und 620 nm als Rot. Zum menschlichen Auge werden in Abhängigkeit von der Oberfläche und dem Material des Körpers nur Strahlen mit bestimmter Wellenlänge reflektiert. Etwa die Hälfte des Lichtspektrums der Sonne befindet sich im für das menschliche Auge sichtbaren Bereich, die andere Hälfte liegt im ultravioletten und infraroten Bereich. Die Zusammensetzung des Sonnenlichtes ändert sich im Tagesverlauf - in den Morgenstunden überwiegt der Blauanteil, in den Abendstunden der Rotanteil. 1.2 Reaktionsweise der Videokamera Wie reagiert aber eine Videokamera? Bei einer Videokamera trifft das reflektierte Licht auf ein Objektiv, wird dort gebündelt und z. B. auf einen lichtempfindlichen CCD-Bildaufnehmer projiziert. Die lichtempfindlichen Halbleiterbauelemente des Bildaufnehmers verfügen über eine elektrische Ladung, welche von der Intensität des auftreffenden Lichtes abhängig ist. Mittels einer elektronischen Schaltung werden die Ladungsinformationen des Bildaufnehmers in definierten Zeitintervallen ausgelesen und in ein Videosignal umgewandelt. An das Objektiv, das die einfallenden Lichtstrahlen unverändert passieren lassen soll, werden somit hohe Anforderungen gestellt. Verfälschungen, die bereits im Objektiv auftreten, lassen sich später kaum korrigieren. 1.3 Beleuchtungsstärke Die Beleuchtungsstärke ist im Zusammenhang mit Videoüberwachungsanlagen die am häufigsten genannte lichttechnische Größe. Auf diesem Parameter basieren die Empfindlichkeitsangaben der Videokameras (Bilder , ). Auch kann mit dieser Angabe die „Strahlungsleistung“ von künstlichen Lichtquellen an einer beliebigen Stelle eindeutig bewertet werden. Eine Messung der Beleuchtungsstärke erfolgt mit einem Luxmeter. In Abhängigkeit von der Jahres- und Tageszeit sowie den konkreten Umgebungsbedingungen kann die Beleuchtungsstärke sehr unterschiedlich sein (Beispiele, Tafel ). Zudem ist bei der rechnerischen Ermittlung dieser Größe zu beachten, dass deren Wert von der Quelle bis zum Ziel nicht linear, sondern quadratisch abnimmt. Wichtig: Bei den in der Praxis anzutreffenden Montagen der Kameras und Scheinwerfer an Elektropraktiker, Berlin 63 (2009) 4 319 Sicherheitstechnik FÜR DIE PRAXIS Einfluss der Beleuchtung in der Videoüberwachung H. Petereins, Berlin In einer Videoüberwachungsanlage trägt die Beleuchtung entscheidend dazu bei, wirklichkeitsgetreue Videobilder zu erzielen. Neben der Lichtintensität hat vor allem die spektrale Zusammensetzung des Lichtes entscheidenden Einfluss auf die Qualität der Aufnahmen. Besonders bei Farbanwendungen bestimmt die Art der Lichtquelle wesentlich das Ergebnis und kann in der Praxis häufig die Ursache für eine verfälschte Farbwiedergabe darstellen. Deshalb ist es wichtig, abhängig von den Innen- oder Außenbedingungen die geeigneten Lichtquellen und leistungsfähige Videotechnik auszuwählen. Autor Dipl.-Ing. Harald Petereins, Ingenieurbüro Sicherheitstechnik Petereins, Berlin. Tafel Übersicht zur Eignung der Lichtquellen Lichtquelle Lebensdauer Farbkamera s/w-Kamera IR-Kamera Glühlampe ca. 1000 h geeignet geeignet geeignet Halogenlampe ca. 2000 h geeignet geeignet geeignet Leuchtstofflampe ca. 10000 h bedingt bedingt nicht relevant Hochdruck-Metall- ca. 13000 h geeignet geeignet geeignet Halogen-Dampflampen Niederdruck-Natrium- ca. 20000 h nicht geeignet geeignet nicht geeignet Dampflampen Hochdruck-Natrium- ca. 15000 h bedingt geeignet nicht geeignet Dampflampen Tafel Beispiele Umgebung/Bedingung Beleuchtungsstärke Sonnenlicht im Sommer 100000 lx Sonnenlicht im Winter 20000 lx Bewölkung im Sommer 5000-20000 lx Bewölkung im Winter 1000-2000 lx Büro 300-700 lx Verkehrsstraße 5-30 lx Vollmondnacht ca. 0,2 lx Klare Nacht ca. 0,0003 lx Domekamera mit IR, lichtempfindlich ab 0,1 lx, 470 TV-LInien und stabilem Gehäuse Elektropraktiker, Berlin 63 (2009) 4 320 FÜR DIE PRAXIS Sicherheitstechnik Gebäuden ist weiterhin zu berücksichtigen, dass z. B. bei einer Montagehöhe von 4 m und einem Montagewinkel von etwa 25-30 Grad die Lichtstrahlen, die nicht im rechten Winkel auftreffen, in andere, von der Videokamera nicht erfasste Bereiche abgelenkt werden. Bei fast allen Scheinwerfern sind die Lichtstrahlen im Zentrum des Lichtkegels am stärksten und nehmen in Richtung Randbereich stark ab. 1.4 Semidiskretes und diskretes Licht Bei vielen Anwendungen ist die sichtbare Ausleuchtung des zu überwachenden Bereiches nicht erwünscht. Hier kann man nur auf die Verwendung von Lichtquellen mit Anteilen im infraroten Bereich der elektromagnetischen Strahlen zurückgreifen. Von 760 nm bis etwa 900 nm spricht man vom semidiskreten, ab 900 nm vom diskreten Licht. Semidiskretes Licht. Das semidiskrete Licht nimmt das Auge des Menschen mit immer schwächer werdendem Rot wahr. Diskretes Licht. Das diskrete Licht ist für den Menschen unsichtbar. Diese Infrarot (IR)-Lichtstrahlen liegen jedoch im Empfindlichkeitsbereich geeigneter s/w-Kameras. Diese Kameras unterscheidet man in die empfindlichen CCD-Kameras und Kameras, deren Eigenschaften für den Infrarotbereich - bis etwa 950 nm - optimiert sind. CCD-Kameras weisen allgemein eine hohe Empfindlichkeit über den gesamten Spektralbereich auf. Infrarotlicht. Infrarotlicht für Videoüberwachungsanwendungen wird mittels geeigneter Lichtquellen, z. B. Hochdruck-Metall-Halogen-Dampflampen, erzeugt und durch Sperrfilter geleitet, welche die Lichtstrahlen „unsichtbar“ erscheinen lassen. Abhängig vom Filter ist das Licht nur schwach dunkelrot oder überhaupt nicht mehr sichtbar. Wichtig: Zu beachten ist bei solchen Lösungen die entstehende Wärmeentwicklung am Infrarotscheinwerfer durch die Reflexion am Sperrfilter. PRAXISERFAHRUNGEN In der Praxis hat sich aus eigener Erfahrung des Autors bewährt: Je größer der CCD-Bildaufnehmer, desto empfindlicher ist die Kamera. Farbkameras sind bei kritischer Ausleuchtung nur bedingt geeignet. Sie sind im IR-Wellenlängebereich unempfindlich und können nicht mit IR-Scheinwerfern eingesetzt werden. Bei IR-Anwendungen sind besonders infrarotempfindliche Kameras einzusetzen. Die Entfernung zum Überwachungsbereich sollte nicht zu groß gewählt werden - ggf. sind zusätzliche Lichtquellen vorzusehen. Herstellerangaben bei IR-Kameras und IR-Scheinwerfern sollten kritisch geprüft und die ausgewählten Produkte am konkreten Einsatzort getestet werden, ob sie die angegebenen Parameter auch erfüllen. Nur ein dem CCD-Bildaufnehmer entsprechendes Objektiv verwenden. Besonders lichtstarke Objektive einsetzen. Bei IR-Anwendungen mit einer Wellenlänge über 900 nm infrarotkorrigierte Objektive einsetzen. Bei IR-Beleuchtungen bis 900 nm die Einstellung der Schärfe bei Dunkelheit und eingeschalteten Lichtquellen oder mit einem ND-Filter vornehmen Bei Außenhautüberwachungen oder Überwachungen im Freiland Objektive mit großem Regelbereich verwenden, um die großen Unterschiede in der Beleuchtungsstärke zwischen 1-100000 lx auszugleichen. Bei Nachtanwendungen die teilweise schlechten Lichtstärken bei Zoom-Objektiven bei langen Brennweiten beachten. Hier ist oft der Einsatz zusätzlicher Scheinwerfer erforderlich. Bei IR-Beleuchtungen ist ein anderes Reflexionsverhalten vorhanden. Infrarotlicht wird von Rasen, Blättern und grünen Flächen besonders stark reflektiert. Beim Einsatz mehrerer Kameras darauf achten, dass der Lichtkegel der Scheinwerfer nicht in die Blickrichtung einer anderen Kamera fällt. Scheinwerfer oberhalb oder in ausreichender Entfernung von der Kamera montieren - denn Licht und Wärme eines Scheinwerfers ziehen Insekten an und beeinflussen die Sicht. IR-Domekamera s/w mit 420 TVL, 0,1 lx IR-LED-Scheinwerfer - 940 nm, 294 LEDs, für s/w- und Tag/Nacht-Kameras IR-LED-Scheinwerfer - 850 nm Wellenlänge; Helligkeitssensor reagiert bei 10 lx, für s/w- und Tag/Nacht-Kameras Fotos: ABUS Security Center 1.5 Infrarotscheinwerfer mit LED Seit einigen Jahren werden spezielle Infrarotscheinwerfer mit LEDs angeboten. Diese LEDs strahlen herstellungsbedingt mit einer fest definierten Wellenlänge - 830 nm, 850 nm, 950 nm - und einem festen Abstrahlwinkel - 15°, 25°, 40° und 50° (Bilder , ). Da die Lichtleistung einer LED jedoch begrenzt ist, werden in Infrarotscheinwerfern bis zu mehreren hundert LEDs eingesetzt. LED-Scheinwerfer haben eine Lebenszeit von bis zu 100000 Stunden, wobei jedoch mit zunehmender Betriebsdauer die Strahlungsdauer - nach einigen tausend Betriebsstunden - abnimmt. Trotz dieser Vorzüge von LED-Infrarotscheinwerfern ist ein qualitativ gutes Ergebnis nur durch eine fachgerechte Planung und Installation zu erzielen. Dabei müssen die Strahlungsleistung, der Wellenlängenbereich sowie der Blickwinkel vom Infrarotscheinwerfer genau mit den Parametern der Kamera übereinstimmen und auf diese ausgerichtet sein. Der Autor hat selbst in der Praxis zahlreiche Erfahrungen gesammelt, wovon sich einige besonders bewährt haben (PRAXISERFAH-RUNGEN). Tafel gibt Anhaltspunkte zu den zu erwartenden Bildgrößen und Tafel zu möglichen Komprimierungsverfahren. Videoaufzeichnungszeit Die Videoaufzeichnung erfolgt heute überwiegend mittels digitaler Videorecorder. Oft erfährt aber ein Nutzer erst nach den ersten Tagen nach der Inbetriebnahme, wie lange sein System wirklich aufzeichnet. Bei analogen Videorecordern war die Aufnahmezeit durch die Bandlänge und bei Langzeitrecordern zusätzlich durch den eingestellten Zeitraffer (time-lapse)-Modus gegeben. So betrug die Aufzeichnungszeit bei einem 180-Minuten-Band und einem auf 96 Stunden eingestellten Time-lapse-Betrieb rund 4 Tage. Bei digitalen Recordern kann die Aufnahmezeit und der erforderliche Festplattenspeicher berechnet werden (Kasten). Elektropraktiker, Berlin 63 (2009) 4 321 Videoaufzeichnung 1. Berechnung des Festplattenspeichers Anzahl der Bilder = Speicherkapazität (GByte) x 106 x 0,95 Mittlere Bildgröße (KByte) x 1,048 · mit Reduzierung Festplattenkapazität um 5 % für Anwendungen (0,95) · Umrechnung von Kapazität der Festplatte von Dezimal nach binär (1,048) 2. Berechnung der Aufnahmezeit Aufnahmezeit (Stunden) = Anzahl der Bilder 3600 x fps x Anzahl der Kameras · mit fps (fields per second) = Bilder pro Sekunde Tafel Übersicht als Anhaltspunkt für die zu erwartenden Bildgrößen Bildformat QCIF CIF 2CIF 4CIF 1,3MP Bildauflösung (dpi) 176 x 144 352 x 288 704 x 288 704 x 567 1280 x 1024 Bildgröße ohne 50 198 396 780 2560 Kompression in kByte Bildgröße mit Kompression in kByte 3,30 13,20 26,40 51,98 170,67 (Faktor 15-Einzelbild) Bildgröße mit Kompression in kByte 0,83 3,30 6,60 12,99 42,67 (Faktor 60-Bewegtbild) Tafel Kompressionsverfahren Kompressions- Eigenschaften Typische Anwendungen verfahren Einzelbild- geringe bis mittlere Kompressionsrate, JPEG (Joint Photographic Expert Group), Kompressions- Bitrate und Speicherkapazität abhängig MJPEG (Motion Joint Photographic verfahren vom Bildinhalt, bildoptimiert, gleichblei- Expert Group), Wavelet, JPEG-2000 bende Bildqualität, niedrige Latenzzeiten Bewegtbild- hohe Kompressionsrate, optimierte Einzelbildkompression, durch her-Kompressions- Bitraten, schwankende Bildqualität, stellerspezifische Modifikation für verfahren abhängig von Bildänderung, hohe Reduzierung der Bildgröße angepasst Latenzzeiten Differenzbild- mittlere bis hohe Kompressionsrate MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4, Kompressions- gleichbleibende Bildqualität durch Bild- H.261, H.263, H.264 verfahren optimierung, Bitrate und Speicher- (erreicht eine bis zu dreimal so hohe kapazität ist abhängig von Bildänderung, Codiereffizienz gegenüber MPEG 2 geringe Latenzzeiten bei einem um den Faktor 2 - 4 höheren Rechenaufwand) Jetzt bestellen! 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Autor
- H. Petereins
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