W najlepszym świetle - Wyzwania minimalnego oświetlenia

Światło odgrywa zasadniczą rolę w kwestii jakości obrazu. Z zasady jakość obrazu jest tym lepsza (pod warunkiem, że nie jest on prześwietlony), im lepiej oświetlony jest obiekt. Jeśli jest zbyt mało światła, obraz będzie mocno zakłócony przez szumy lub zbyt ciemny. Ilość światła niezbędna, aby zapewnić dobrej jakości obraz zależy od kamery i jej wrażliwości na światło. Innymi słowy, im ciemniejszy jest rejestrowany obiekt, tym wyższą wrażliwością na światło musi charakteryzować się zastosowana kamera. 

Światłoczułość lub minimalne oświetlenie odnoszą się do najmniejszej ilości światła potrzebnej, aby kamera mogła dostarczyć użyteczny obraz. Minimalne oświetlenie określane jest w luksach (lx) i jest miarą oświetlenia obserwowanego obiektu lub sceny. Często mylone jest to z czułością na światło kamery. W ten sposób można dojść do wniosku, że im niższy wskaźnik luks podany przez producenta, tym wyższa wrażliwość kamery. Nie jest to jednak takie proste. Można mówić o pewnym paradoksie w kwestii minimalnego oświetlenia. Światłoczułość jest kluczowym czynnikiem decydującym o wyborze sprzętu i producenta. Jednocześnie jest to jednak duże wyzwanie w technologii kamer oraz zagadnienie bardzo trudne do opisania. 

Celem tego dokumentu jest ukazanie pewnych niuansów w dyskusji na temat światłoczułości, a także wskazanie pułapek związanych z tym zagadnieniem. Wyjaśnimy też, dlaczego testy w terenie są lepszym wskaźnikiem niż porównania parametrów na papierze. Pokażemy, że są one niezbędne w mądrym wyborze sprzętu.


Zagadka światłoczułości

Pomiar czułości na światło jest procesem skomplikowanym i niejednoznacznym. Jest tego kilka powodów.

Po pierwsze, oświetlenie jest mierzone przy użyciu luksometru (światłomierza). Choć sama w sobie metoda pomiaru jest dokładna, odczyty luksów są zwodnicze w odniesieniu do światłoczułości kamery. Jest tak ponieważ luksometry i kamery różnią się co do informacji na temat światła. Zatem kiedy mowa o oświetleniu lub luksach, dotyczy to stopnia oświetlenia obiektu, nie zaś stopnia, w jakim kamera zbiera światło. 

Podczas gdy luksometr rejestruje ilość widzianego światła padającego lub oświetlającego dany obszar (światło padające), kamera rejestruje ilość światła odbijanego od obiektów na nagrywanym obszarze (światło odbite). W efekcie wartości luksów dwóch osób na tej samej przestrzeni, kiedy jedna z nich ubrana jest na biało, a druga na czarno będą identyczne natomiast ilość światła rejestrowanego przez kamerę nagrywającą tę przestrzeń może być różna - częściowo ponieważ osoba ubrana na ciemno odbija mniej światła niż osoba ubrana na biało. Dodatkowo, błyszczące przedmioty odbijają więcej światła niż przedmioty matowe. Warunki pogodowe również odgrywają ważną rolę w kwestii oświetlenia i odbijania światła. Dla przykładu śnieg wzmacnia natężenie odbijanego światła, a deszcz pochłania większość światła odbitego.

Po drugie, w wielu naturalnych warunkach oświetlenie jest mocno zróżnicowane, np. obiekty są podświetlone z tyłu, zacienione, a inne jeszcze rozświetlone. Ma to silny wpływ na to, jak kamera rejestruje nagrywany obszar. Dla przykładu podświetlenie sprawia, że nagrywany obiekt jest ciemny, co ogranicza szanse na jego identyfikację. W przypadku dozoru zewnętrznego światło słoneczne w ciągu dnia zmienia zarówno swoje natężenie, jak i kierunek padania. Zatem należy wziąć pod uwagę, iż jeden odczyt luksów nie oddaje warunków oświetleniowych danego otoczenia w całości, ani też nie mówi nic na temat kierunku padania światła.

Trzeba również pamiętać, że wartość luksów dla danej scenerii mierzona jest jedynie dla przedmiotu, na który ustawiona jest ostrość. Na powyższych zdjęciach na przykład luksy odnoszą się do oświetlenia na drzewie lub przed budynkiem. Jaśniejsze niebo lub ciemniejsza ziemia nie są brane pod uwagę. 

Po trzecie, istnieje wiele czynników oddziałujących na światłoczułość kamery. Są to: czas ekspozycji, wielkość przysłony, rozmiar i jakość przetwornika, jakość obiektywu i temperatura barwowa źródła świata. Poziom IRE (amplituda luminancji mierzona w skali od 0 dla czerni do 100 dla pełnej bieli) również ma znaczenie, mimo iż jest to wartość analogowa używana w świecie cyfrowym do interpretacji, a nie stricte w praktyce.

Istnieje możliwość modyfikacji wielu z tych czynników tak, aby kamera wychwytywała więcej światła. W rzeczywistości wielu producentów manipuluje tymi wartościami - aby ich produkt sprawiał wrażenie lepszego i bardziej skutecznego. Dla przykładu, wydłużając czas ekspozycji (obniżając prędkość migawki) więcej światła może docierać do przetwornika. Jest to dobry sposób na poprawę jakości obrazu i dobre efekty przy nieruchomych obiektach. Jeżeli jednak obiekt jest poruszony, obraz z kamery będzie zamazany, a obiekt niemożliwy do identyfikacji. Nie powstrzymuje to mimo wszystko producentów od wykorzystywania tej sztuczki przy podawaniu przykładowych obrazów i parametrów. Dlatego też zawsze należy zwracać uwagę na producentów, którzy używają nieruchomych obiektów, aby pokazać wydajność kamery w ruchu w słabych warunkach oświetleniowych. 

Wzmocnienie nie wpływa na światłoczułość kamery, ale wzmacnia sygnał wizyjny. Zwiększanie poziomu wzmocnienia powoduje zwiększenie siły sygnału wizyjnego i rozjaśnia obraz. Jednocześnie jednak dochodzi do zwiększenia szumów towarzyszących temu sygnałowi. Jest to podobne do sytuacji, gdy zwiększamy głośność w odbiorniku radiowym o słabym odbiorze. Usłyszymy nie tylko głośniejszą muzykę, ale też głośniejsze szumy i zakłócenia.

Ostatni argument, choć możliwe, że i najważniejszy to fakt, iż obecnie na rynku nie istnieje jeden ogólnoświatowy standard pomiaru minimalnego oświetlenia. W praktyce oznacza to, że nawet liderzy rynku nie stosują jednej i tej samej metody. W efekcie sprzedawcy stają przed nie lada wyzwaniem chcąc uzyskać właściwe wartości, a klienci – chcąc zaufać podawanym im informacjom.


Nie daj się nabrać

W konsekwencji opisanych powyżej kwestii, porównanie między produktami różnych producentów na podstawie wartości luksów, liczby przysłony czy rozmiarów przetwornika jest z zasady obciążone błędem. Zakup kamery w oparciu o tak niedokładny opis będzie błędem. Kamera z minimalnym oświetleniem wyznaczonym na 5 lx, wartość przysłony f /10 może dać takie same rezultaty w sytuacji słabego oświetlenia, co kamera z wartościami 0.05 lx, f/1.0. Te same właściwości mogą być wyrażane na wiele różnych sposobów i różni producenci stosują odmienne kryteria. W rezultacie kwestia opisu i porównania konkurencyjnych produktów różnych producentów jest czymś znacznie bardziej skomplikowanym niż jedynie porównaniem technicznych parametrów tych produktów.

Niektórzy, aby podnieść efektywność pracy kamery stosują dodatkowe bardzo drogie obiektywy wysokiej klasy, których przeciętny klient nie zakupi. Należy pamiętać o porównaniu podanej wartości minimalnego oświetlenia i wartości przysłony z rzeczywistą wartością przysłony przy standardowym obiektywie, jeśli taki jest załączony do kamery. Oferta kamer AXIS jest ma charakter all-inclusive. Kamery te są zawsze wyposażone w obiektyw, a nasze testy są konsekwentnie przeprowadzane przy standardowym obiektywie i domyślnych ustawieniach. 

W ramach eksperymentu zastosowaliśmy metodę AXIS pomiaru minimalnego oświetlenia [1] i porównaliśmy kilka naszych produktów z podobnymi produktami innych producentów. Wszystkie zamieszczone poniżej ujęcia były wykonane przy ustawieniach domyślnych kamer. Różnice pomiędzy pomiarami luksów określone w danych produktu i wyniki testu mówią same za siebie.

Jeśli wymagania instalacyjne odnoszą się do minimalnego oświetlenia jako kluczowego, decyzyjnego czynnika, warto zainwestować swój czas i sprawdzić kamery w terenie, nie zaś nie ślepo polegać na gotowych danych z kart katalogowych.


Mądrzejszy wybór

Podsumowując, istnieją dwa sposoby podjęcia pewnej i trafnej decyzji przy wyborze kamery. Najlepszą metodą jest porównanie działania kamer w terenie przy nagrywaniu ruchomych obiektów. Tylko wtedy kamery mogą być naprawdę wypróbowane w warunkach konkretnych zastosowań. Jeśli nie jest to możliwe, upewnij się, że producent, od którego kupujesz sprzęt bazuje na udokumentowanych i powtarzalnych procedurach, ponieważ to gwarantuje, że:

- produkty od tego konkretnego producenta mogą być ze sobą właściwie porównane,
- wskaźniki nie są manipulowane, aby sprzedać wybrany produkt.


Czas ekspozycji

Czas ekspozycji oznacza przedział czasu, podczas którego światło pada na detektor. Im dłuższy czas ekspozycji, tym więcej światła pada na detektor. W słabych warunkach oświetleniowych jakość obrazu można ponieść zwiększając czas ekspozycji, jednak skutkuje to również zmniejszeniem ostrości obrazu wywołanej poruszeniem i obniżeniem całkowitej liczby klatek, jako że potrzebny jest dłuższy czas do naświetlenia każdej klatki.


Wielkość przysłony

Wielkość przysłony lub wartość przysłony (ang. F-stop lub f-number) jest miarą ilości zbieranego przez obiektyw światła. Wyrażana jest przez stosunek ogniskowej (odległości między centrum obiektywu i jego punktem ostrości) do średnicy otworu przysłony (otwór przysłony, który przepuszcza światło przez soczewkę do matrycy).
 

Im mniejsza jest liczba przy f, tym więcej światła dostanie się do obiektywu. Wartość przysłony jest często opisywana jako Fx lub f/x (ogniskowa/otwór). Wartość przysłony f4 oznacza, że średnica przysłony jest równa ogniskowej obiektywu podzielonej przez 4. Jeśli kamera ma obiektyw 8mm wpadające światło musi przejść przez przesłonę o średnicy 2mm.


Jakość obiektywu

Jakość materiałów, z których wykonany jest obiektyw, jak również sposób, w jaki został zaprojektowany mają wpływ na rozdzielczość uzyskiwaną przez ten obiektyw. Nie istnieją obiektywy idealne i wszystkie powodują zniekształcenia lub defekty w obrazie, co wynika z ich ograniczeń. Obiektywy są produkowane tak, aby pasowały do matrycy i bardzo ważnym jest wybór odpowiedniego obiektywu dla danej kamery.


Jakość matrycy

Światło wpadające przez obiektyw jest skupiane w kamerze sieciowej na matrycy. Piksele matrycy rejestrują ilość światła, które na nie działa i zamieniają je na odpowiadającą liczbę elektronów lub na sygnał elektryczny. Im więcej światła, tym więcej elektronów.

Dawniej ogólna zasada była taka, że większa matryca zbierała więcej światła niż mniejsza matryca oraz, że zdolność każdej pikseli do przetwarzania elektronów wzrastała wraz ze zwiększeniem pikseli. Dziś jednak istnieją technologie i projekty, które wzmacniają i zbierają światło oraz zwiększają czułość matrycy. W efekcie małe matryce i piksele nierzadko mogą być bardziej efektywne niż te duże. Jedynym sposobem, by wiedzieć, jak to działa w przypadku konkretnego sprzętu jest spojrzenie poza rozmiar pikseli i przetestowanie czujnika.


Temperatura barwowa

Temperatura barwowa źródła światła jest mierzona w stopniach Kelvina (K). Skala ta bazuje na fakcie, iż wszystkie ciepłe obiekty promieniują. Pierwsze widzialne światło promieniujące z ciepłego obiektu jest koloru czerwonego, a wraz ze wzrostem temperatury obiektu kolor promieniowania staje się bardziej niebieski. Tak jak światło słoneczne zmienia się w ciągu dnia, sztuczne światło również występuje w wachlarzu temperatur koloru.

Ludzkie oko niweluje różnice w kolorze emitowanym przez różne źródła światła tak, że obiekty zdają się mieć tę samą barwę. Kamery muszą jednak być dostosowane do lokalnego oświetlenia. Z reguły pracują w trybie gdzie balans bieli jest obliczany automatycznie i nie trzeba tego mierzyć ręcznie przy użyciu neutralnej powierzchni takiej jak szara karta. Istnieją również ustawienia w kamerze optymalizujące odwzorowanie kolorów.