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安防视频监控中的自然光源


视频监控系统中使用的光源有自然光源和人造光源两类。由自然过程产生辐射的辐射源为自然光源,由于它是客观存在的,人们只能对其研究和利用,不能改变其发光特性。自然光源包括太阳、月亮(反射的日光)和星星,它们发出的光包括所有的可见光波段,而且还包含有不可见光,因此属于宽频带的光源。人造光源可以是宽频带的,也可以是窄频带(只发出某种频率范围)的。黑白摄像机在宽频和窄频光源下都可以正常工作,而彩色摄像机要考虑颜色再现,只能在宽频光源下工作。

一、日光

太阳是最重要的自然光源,人的视觉观察活动主要是在太阳照明下进行的,我们在地球上研究、利用太阳的辐射。地球自转引起太阳的时相变化,地球绕太阳沿椭圆形轨道的公转引起地球和太阳之间距离的周年变化,地球大气状态的变化,以及观察者地理位置的不同,都将引起接收的太阳辐射量的不同。
在地球上看到的太阳是一个发光圆盘,在地球和太阳的距离为平均距离时,其角直径为32,,对应的立体角约为7x10-5sr。这时,太阳在大气层外和辐射方向垂直的表面上形成的辐照度值£e=1390W/m2;在天空较晴朗、太阳位于天顶的情况下,太阳在海平面形成的光照度约为Ev=1.24x105lm/m2。由于地球和太阳间距离的变化引起的太阳形成的辐照度和光照度的变化不超过±3.5%。

白天,地球表面照度的约1/5是天空这个自然光源形成的,天空光中的绝大部分,是地球大气对太阳光散射形成的,大气辐射只占极少部分。
太阳的光谱中含有频率连续不同颜色的光(近红外、红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫、紫外等),黑白摄像机和彩色摄像机对其都很敏感,CCD摄像机对可见光和近红外光都很敏感。在上午的前几个小时和傍晚的最后几个小时,日光光谱中的橙红色所占比例较大,所以被摄场景也会略呈橙色;在中午,日光非常明亮,被摄场景反射的光线中,蓝光和绿光所占比例大量增加,因此彩色摄像机内必须有一种自动白平衡的控制调节机构,以调整一天当中色彩组成的变化,从而使摄像机生成的图像能够较为逼真地反映被摄物的真实颜色。此外,由于摄像机在室外较大的照度变化范围内工作,还必须有一种自动光线控制机构(即自动光圈),以对照度的变化进行补偿。

二、月光和星光

太阳落山后,如果没有人工照明,监控场景中就只有天空的月光、星光等自然光。实际夜间的天空光由黄道光(约占15%)、银河光(约占5%)、夜空光(约占40%),上述各光源的散射光(约占10%)、直射和散射星光(约占30%)以及银河外辐射源辐射(小于1%)等构成。由于夜间月光是太阳的反射光,所以它含有日光中的大多数色光。但月光在地面上形成的照度较低,从而使得彩色摄像机和人的眼睛无法进行很好的色彩还原。
表1列出了白天和夜间各种条件下自然光源在地面上形成的照度的近似值。

表1 自然光源在地球表面形成的光照度
自然条件 照度值<lm/m2 自然条件 照度值(lm/m2
直射日光
完全白天光
白天,阴
很暗的白天
黄昏(黎明)
1x103~1.3x103
1x103~2x104
103
102
10
深黄昏
满月
弦月
星光
阴天,星光
1
10-1
10-2
10-3
10-4
 
表2列出了各种条件下接近地平线天空亮度的近似值。
 
表2 各种条件下接近地平线天空的光亮度值
自然条件 光亮度值(cd/m2 自然条件 光亮度值(cd/m2)
晴朗的白天
白天.阴
白天,阴得很重
日落时,阴天
日落后0.25h,晴天
104
103
102
10
1
日落后0.5h,晴天
相当明亮的月光
无月,晴朗夜空
无月,阴天夜空
10-1
10-2
10-3
10-4