安防视频监控中如何选用光源?


要设计一个高效的视频监控系统,就必须先了解被摄区域的照明情况。在安防视频监控系统工程中的第一考虑是能量转换效率的高低,将这个效率转换成经济效益就可以判断出,到底是安装额外的照明系统经济呢,还是购买低照度摄像机更经济。

一、几种常用光源的特性

由于监控现场照度的高低,将直接影响视频监控系统中监视器所能提供的信息的数量和质量,所以在设计之前,必须先要评估一下监控现场的照明系统的数量与质量,它们所产生的照明量够不够用等。接着,要根据现场调査的结论来决定是否需要增加照明设施。表1对几种常用光源的特性做了简单的比较,供设计者选用参考。

表1 各种常用光源的特性比较

光源
特性

白炽灯泡

金属卤素灯

日光灯

水银灯

钠灯

氙灯

发光原理

电流流过钨丝发光

是白炽灯的一种,在惰性气体中加入微量卤化物,其循环作用减缓钨的蒸发,以延长寿命

另一种低压水银灯,一般充水银、氦气。电弧放电放出紫外线,内壁涂的荧光物质发光

利用高压水银蒸气放电作用:根据是否涂荧光物质,有透明型和荧光型之分

在钠蒸气中放电发光

把氙气放入石英发光管,产生放电

发光效率(lm/W)

10~20

15~30

50~80

30~60

85~180

25~50

色温

2800K左右;演播室照明为3200K

3000~3200K

白日光灯4500K;日光灯6500K;中午日光灯5000K

高压水银灯5600
K;超高庄水银灯
7800K

黄单色光;发射589~589.2nm的D线

6000K

寿命

一般为1000~2000h;演播室照明、彩色20~25h:演播室照明、黑白100~500h

白炽灯的2倍

10000h开关次数多将影响寿命

9000~12000h

约9000h

2000~3000h

特征

①一般形小质轻,由于近似点光源,所以易于配光控制。②不要附属启辉设备。③受周围温度影响小

除有与白炽灯同样特征外还有:①寿命约是白炽灯的2倍;②由于没有灯泡内的黑化,所以到寿命末期光束也很少变弱

①可做扩散的面光源,亮度低;②雄聚光;③用于电视台时会有闪烁,因而要用三相电或高频电源:④要考虑周围的温度;⑤不能任意变更灯的瓦数;⑥灯具外形大、质量大

①比白炽灯大,也可聚光;②效率高寿命氏;③需要特别的启动设备,启动时间长:④新产品性能好,但色调稍差:⑤形状较小,输出大;⑥属于放电型,所以用于电视中有闪烁

①效率高;②黄色单色,色调性能差,摄像时无色散:③属于放电型,用于电视中有闪烁:④发光细长,即使做好成U形,其横断而也是位的;⑤灯的寿命长

①可以得到色调性能相当好的白光;②寿命比白炽灯长比水银灯短;③灯的管壁温度高;④属于放电型,用于电视中有闪烁

 

如果所设计的视频监控系统需要安装彩色摄像机,则监控场景的照明问题就变得更加重要,因为所有彩色摄像机需要的工作照度都比黑白摄像机要高。若希望视频监控系统的彩色图像和黑白图像具有相同的信噪比,甚至希望产生无噪声的图像,那就需要将监控场景上的照度增加10倍。如果要想真实地再现监控场景内物体的色调、纹理和颜色,就需要现场的光源的光谱能够包含足够多的颜色,以便供摄像机检测和平衡时使用。由于现在的工业厂区和公共场所大量使用不同类型的照明设备,视频监控系统的设计人员必须非常清楚各种不同灯具的亮度及其光谱输出的组成情况,以确定需要安置的CCD或CMOS摄像机的种类。

二、照明系统的运作费用

照明系统的整个运作费用与灯具的光转换效率密切相关。不管采用什么类型的灯,它的运作费用都要比购置费用和维护费用加起来要高,一般用的时间越长,越是如此。欲了解不同类型的灯具在运作费用上的差异,可以参考表2中的数据。

表2 不同灯具的寿命、购置和运作费用比较

灯的类型

使用寿命/h

购置费用

运作费用

综合费用

高压水银灯

16000~24000

高压钠灯

20000~24000

金属卤化物灯(多蒸汽)

10000~20000

荧光灯(日光灯)

12000~20000

白炽钙丝灯

750~1000

卤钙灯

2000

 


表2表示了不同灯具,如各种白炽灯、金属孤光灯、荧光灯、高压水银灯和高压钠灯等的使用寿命、输入功率、输出照度的比较。这种比较是以每年工作4000h为基础,为应用于不同系统的各种灯具统一做的,所涉及的灯包括黄昏照明灯、壁装式空中照明灯和泛光灯。在每种应用中,高压钠灯、金属弧光灯和荧光灯比高压水银灯和标准白炽灯在运作费用上都具有明显的优势。显然,使用转换效率较高的灯具,可以成倍地节省运作费用,实际上主要是工作时使用的电的费用,其所节省的具体比例,取决于灯具使用地的供电成本。
值得提出注意的是,在评估不同灯具的性价比的时候,灯具的寿命是一个相当重要的评佔指标。寿命较短的灯具会引起新的灯具的费用、安装费用,还有因CCD摄像机无法工作(因为在新的灯泡换上之前,现场一片黑暗)所引起的附加风险。
表2中列出了多种光源的平均使用寿命(以小时计)。表的最上方是高压水银灯、高压钠灯和低压钠灯,这些灯的平均寿命都在24000h的水平上;接下来,金属卤化物灯可达20000h,其余的金属孤光灯至少在3000h以上:一些荧光灯的寿命可以达到10000h以上;表的最下面是白炽灯,它们的额定的寿命是1000~2000h。如果更换灯泡的花费较大,或非常不方便,就应该使用高压钠灯,而不是白炽灯。在使用高压钠灯时,更换灯泡的次数可以减少12次,灯泡被烧坏的次数也可以减少12次,显然这也大大减少了视频监控系统的停机时间。
在设计照明系统时,需要用到功率、电压、灯丝形状、灯泡类型、底座(安装接口)类安防视频监控中的光源和光学系统型、填充材料(气体、真空、卤化物)、照度输出、色温、使用寿命等指标。照明灯的色温、功率输入和额定使用寿命这三种因素密切相关,在灯具功率固定的情况下,其光输出和色温会随着使用时间的增长而降低。灯丝的功率基本上与灯丝温度的四次方成正比。因此,在低于额定工作电压的工作的情况下,这时照明灯的使用寿命就会比较长。一般,额定工作电压每降低5%,灯丝的寿命就可以增加1倍;相反地,额定工作电压每升高5%,灯丝寿命将会缩短一半。
表中白光LED灯目前虽然价格比其他光源都贵,但其寿命长,且又环保节能,最后的综合费用比其他光源都低,因而是理想光源。

三、照明光源的选择

在选择照明光源时,除主要考虑它的指标和能量要求外,还必须考虑它的尺寸、形状、光源与光源之间的距离,以及光源与被照表面之间的距离。要想为建筑中的门厅、楼梯间、周界、停车场等场所的安全应用提供充足的照明光线,就必须采用不同的照明光源设计。
实际上,大多数视频监控系统工程,都是在已建好的建筑物和已有照明光源的情况下进行的,因而视频监控系统的设计者常常无法在监控现场增加照明光源设施,或更改原有的照明光源系统的设计,只能先评估监控现场的照度水平,再选择适合这个照度水平的摄像机来获得满意的图像。在现场的照明光线确实不够用的情况下,往往只能在现有的照明光源设施中间加装新的照明灯具,以满足摄像机对监控现场的照度的需要。
总之,现场中的自然光源和人造光源会极大地影响视频监控系统最终取得的图像质量,以及监控场景画面中所携带的信息量。如要取得最理想的效果,就必须仔细地分析光源的各种指标(如光谱组成、照度、光束模式等),并使其与摄像机的光谱特性和灵敏度相匹配。在设计彩色视频监控系统时,更需要加倍小心,因为彩色摄像机只有在白天的自然光线和宽频谱的人造光线下才能正常工作。如果现场的照度看起来不太够,应该使用硅光电池探测的照度计,实际测量一下摄像机的安装位置可以接收到的光线照度。如果在使用标准摄像机时,光线仍不够充足,就要使用额外的照明光源,或者采用灵敏度更高的增强型低照度摄像机。
显然,最好选用照明光源。目前,虽然环保节能的白光LED灯的价格贵,但其发光效率已达50 lm/W,其寿命更比其他光源要长得多(一般在10万小时以上),它的运作费用与综合费用比其他光源都低,因而是目前安防视频监控系统最佳的照明光源。


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