Gli infrarossi nella videosorveglianza

Telecamere Day&Night

• Le telecamere con funzionalità Day&Night possono utilizzare la luce a infrarossi (IR) per acquisire le immagini. Il loro sensore rileva la luce visibile ma anche la luce IR con lunghezze d'onda prossime a quelle della luce visibile.

• In modalità giorno, la telecamera utilizza solo la luce visibile (grazie all'applicazione di un filtro IR che blocca la luce IR) per poter fornire video a colori.

• In modalità notturna, la telecamera sposta meccanicamente il filtro di blocco IR di lato per consentire il passaggio della luce infrarossa e della luce visibile, e utilizza entrambe per fornire video in scala di grigi di alta qualità.

• La telecamera passa dalla modalità Day alla modalità Night quando la luce ambientale scende sotto una determinata intensità.

• Alcune telecamere per le riprese diurne e notturne dispongono di un terzo metodo che utilizza un filtro IR-pass per far passare solo la luce IR. Questa modalità esclusivamente a infrarossi può migliorare determinati casi d'uso, come la sorveglianza a lungo raggio o il monitoraggio del traffico notturno.

• Tenere presente che le telecamere per le riprese diurne e notturne non sono telecamere termiche. Le telecamere termiche rilevano la luce IR a onda lunga, ovvero la radiazione termica emessa naturalmente da tutti gli oggetti.

Sorgenti di luce IR

• L'illuminazione a LED IR è un modo efficiente e discreto per sorvegliare al buio quando la normale illuminazione non è adatta.

• Per natura, la luce IR è prevalente anche nella luce solare e lunare.

• Le telecamere con LED a infrarossi integrato rappresentano una soluzione pratica poiché non richiedono illuminatori aggiuntivi, cavi o alimentatori.

• L'illuminazione a LED IR integrata è adattata specificamente alla telecamera e alle sue caratteristiche.

• Gli illuminatori IR standalone sono adatti in alcuni casi perché in genere sono più potenti e coprono distanze maggiori.

OptimizedIR

• Axis OptimizedIR è una soluzione IR avanzata e integrata che combina l'intelligenza della telecamera e una sofisticata tecnologia LED.

• La tecnologia OptimizedIR è adattata specificamente a ogni modello di telecamera. Di norma, comprende una tecnologia brevettata per un'illuminazione uniforme nel campo visivo variabile della telecamera, una dissipazione del calore estremamente efficiente e LED a lunga gittata, di alta qualità e ottimizzati per la telecamera.

• OptimizedIR è in continua evoluzione e vengono regolarmente aggiunte nuove funzionalità.

La maggior parte delle telecamere è in grado di utilizzare la luce visibile e quella nel vicino infrarosso (IR) per produrre immagini o video. Aggiungendo un'illuminazione IR artificiale a una scena, è possibile ottenere video di alta qualità anche in ambienti totalmente bui.

Questo documento tecnico spiega perché l'illuminazione IR è ampiamente utilizzata nella sorveglianza. Descrive gli illuminatori integrati sulle telecamere e i modelli standalone, oltre alla combinazione esclusiva di soluzioni IR denominata Axis OptimizedIR.

La luce è formata da pacchetti discreti di energia, chiamati fotoni. Il sensore d'immagine di una telecamera contiene milioni di punti fotosensibili (pixel) che rilevano il numero di fotoni in arrivo. La telecamera utilizza queste informazioni per creare un'immagine.

La luce ha anche energie diverse, ovvero lunghezze d'onda diverse. La capacità del sensore di una telecamera di rilevare i fotoni dipende dalla loro lunghezza d'onda. I fotoni di luce visibile, con una lunghezza d'onda compresa tra 0,4 e 0,7 μm (micron), vengono rilevati normalmente; in genere, però, il sensore riesce anche a rilevare fotoni con una lunghezza d'onda leggermente maggiore (0,7–1,5 μm), nella zona dello spettro elettromagnetico corrispondente al vicino infrarosso. Questa luce è prevalente in natura (si pensi ad esempio alla luce solare) ma può anche essere aggiunta utilizzando sorgenti artificiali.

I fotoni con lunghezze d'onda ancora maggiori, nella parte dello spettro denominata LWIR (infrarossi a onde lunghe), possono essere rilevati dal sensore di una telecamera termica. La luce LWIR è una radiazione di calore emessa naturalmente da tutti gli oggetti viventi e non. Nelle immagini delle telecamere termiche, gli oggetti più caldi (es. persone o animali) possono essere identificati chiaramente rispetto allo sfondo, che ha una temperatura inferiore.

1. Raggi X
2. Luce ultravioletta
3. Luce visibile
4. Radiazione nell'infrarosso vicino (NIR) (circa 0,7-1,5 μm)
5. Radiazione infrarossa a onda corta (SWIR) a (1,5-3 μm)
6. Radiazione infrarossa a onda media (MWIR) a (3-5 μm)
7. Radiazione infrarossa a onda lunga (LWIR) (8–14 μm)
8. Radiazione nel lontano infrarosso (FIR) (circa 15-1000 μm
9. Radiazione a microonde
10. Lunghezze d'onda radio/TV
11. Illuminazione IR
12. Telecamere termiche Axis

Se la luce è scarsa, il numero di fotoni che possono raggiungere il sensore della telecamera è inferiore. Le telecamere con tecnologia Axis Lightfinder hanno un'estrema sensibilità alla luce grazie a una combinazione equilibrata tra il sensore, l'obiettivo e un'elaborazione ottimizzata dell'immagine, che consente di creare immagini a colori usando pochissimi fotoni. Tuttavia, quando la scena è troppo buia, i fotoni di luce visibile sono troppo pochi perché il sensore possa registrare con una velocità in fotogrammi sufficientemente elevata per la videosorveglianza. In tali scene di luce estremamente bassa, è necessario rinunciare alla luce visibile (e alle immagini a colori) e ampliare lo spettro per includere le lunghezze d'onda dell'infrarosso vicino (utilizzando una telecamera per le riprese diurne e notturne). In alternativa, è possibile utilizzare una telecamera termica che sfrutta le lunghezze d'onda dell'infrarosso a onda lunga per il rilevamento nel buio più totale.

L'illuminazione a LED IR è un metodo discreto e a basso consumo che consente di sorvegliare nell'oscurità. In caso di buio totale, è necessario aggiungere la luce IR con illuminatori separati o integrati sulla telecamera.

Le telecamere che utilizzano la luce IR per acquisire le immagini hanno la cosiddetta funzionalità Day&Night o modalità diurna/notturna. Possono sfruttare la luce IR naturale, per esempio della luna, o quella artificiale, proveniente da lampade a incandescenza o sorgenti ad infrarossi dedicate. Tutte le telecamere con illuminazione IR integrata sono Day&Night, ma una telecamera Day&Night non ha necessariamente l'illuminazione integrata. Le telecamere Axis con illuminatore IR integrato hanno una lettera “-L” nel nome del prodotto, che significa LED (Light-Emitting Diode).

Normalmente, gli illuminatori integrati sulla telecamera e i modelli standalone utilizzano la luce ad infrarossi con una lunghezza d'onda di 850 nm. Essendo così vicini alle lunghezze d'onda della luce visibile, i LED IR producono una debole luce rossa che può essere notata. I LED IR sono disponibili anche a 940 nm, riducendo il rischio di produrre luce visibile. Tuttavia, i sensori delle telecamere sono leggermente meno sensibili a quella lunghezza d'onda.

La tecnologia Axis Lightfinder funziona sia con la luce IR che con quella visibile. Una telecamera con Lightfinder consente all'illuminazione IR di avere una maggiore portata e rende più visibile la luce IR naturale che si trova nelle aree lontane della scena.

Le telecamere per le riprese diurne e notturne di solito possono commutare due modalità: la modalità giorno e quella notturna. In modalità diurna, la telecamera utilizza la luce visibile e trasmette un video a colori. Quando la luce scende sotto una determinata intensità, la telecamera passa automaticamente alla modalità notturna, che sfrutta sia la luce visibile che quella nel vicino infrarosso per trasmettere un video in bianco e nero di alta qualità.

La commutazione tra modalità diurna e notturna avviene tramite un filtro IR rimovibile meccanicamente.

In modalità diurna, il filtro impedisce che la luce IR naturale raggiunga il sensore della telecamera, per non distorcere i colori del video. In modalità notturna, il filtro viene rimosso e aumenta la sensibilità della telecamera alla luce, consentendo ai raggi infrarossi di raggiungere il sensore.

Poiché la luce IR si disperde su tutti e tre i filtri colore (RGB) del sensore, le informazioni sui colori si perdono nella modalità notturna e la telecamera non è più in grado di trasmettere un'immagine a colori. Il video in bianco e nero trasmesso in modalità notturna compensa l'incapacità dell'occhio umano di vedere la luce IR. Tuttavia, i materiali con specifiche proprietà riflettenti possono talvolta apparire in tonalità di grigio inaspettate. Ad esempio, una giacca scura potrebbe sembrare di una tonalità molto più chiara, e viceversa.

Alcune telecamere per le riprese diurne e notturne sono dotate di un filtro ottico aggiuntivo. Questo filtro IR-pass blocca la luce visibile e lascia passare solo la luce dell'infrarosso vicino (NIR) verso il sensore di immagine. In alcuni casi d'uso, questo filtro abilita la telecamera a fornire video con dettagli più nitidi e un maggiore valore forense, anche se in scala di grigi.

L'efficacia del filtro IR-pass dipende dalle condizioni specifiche della scena, tra cui la distanza, le condizioni meteorologiche e la presenza di acqua o vegetazione nell'inquadratura. Il filtro può migliorare la qualità d’immagine, ad esempio, nella sorveglianza a lungo raggio e nel monitoraggio del traffico notturno.

Sorveglianza a lungo raggio. La luce nell'infrarosso vicino (NIR) penetra la foschia e lo smog meglio della luce visibile. Ciò è dovuto al fatto che le lunghezze d'onda più lunghe della luce IR sono meno soggette alla dispersione causata dalle particelle atmosferiche, come le goccioline d'acqua o la polvere. Un'altra caratteristica saliente dell'imaging a infrarossi è la maggiore visibilità della vegetazione: l'elevata riflettività della clorofilla in questa banda spettrale fa sì che piante e alberi appaiano molto più luminosi rispetto a quanto avvenga nella luce visibile. Grazie al filtro IR-pass, entrambi questi effetti possono contribuire a migliorare la visibilità e il contrasto sulle lunghe distanze e facilitare, ad esempio, l'individuazione di fumo o di incendi boschivi in fase iniziale.

Monitoraggio del traffico. Il filtro IR-pass può migliorare il contrasto delle targhe di notte, se utilizzato insieme all'illuminazione a infrarossi. Sebbene le targhe riflettano particolarmente bene la luce IR, i fari molto potenti possono creare riflessi e aloni che compromettono la visibilità. La maggior parte dei fari delle automobili emette principalmente lunghezze d'onda visibili, il che significa che il filtro IR-pass rimuoverà la luce fastidiosa.

Nell'oscurità totale, è possibile ottenere un video perfettamente utilizzabile con le telecamere termiche e le telecamere ottiche con illuminazione IR. Le telecamere termiche non necessitano di sorgenti luminose perché rilevano il calore irradiato naturalmente da tutti gli oggetti.

A sinistra: immagine di una telecamera Day&Night con illuminazione IR integrata.
A destra: immagine di una telecamera termica, che rileva passivamente le radiazioni di calore.

Le due tecnologie servono in genere a due scopi diversi: le telecamere termiche rilevano principalmente la presenza, mentre le telecamere IR possono essere utilizzate per riconoscere o identificare individui, a seconda delle condizioni. Pertanto, le telecamere con illuminazione ad infrarossi integrata possono essere utilizzate per una sorveglianza completa e senza componenti aggiuntivi, ma possono anche essere integrate in un sistema di sorveglianza più grande e diversificato. Le telecamere termiche, per contro, possono benissimo completare un sistema di sorveglianza, ma non sostituirlo: in qualche punto del sistema, occorreranno telecamere ottiche per l'identificazione.

Le telecamere termiche hanno una portata di rilevamento notevole, nell'ordine dei chilometri, ma sono costose. La portata di una telecamera ottica con illuminazione IR dipende dalla sua risoluzione e dalla distanza di illuminazione. Per i prodotti IR Axis, le schede tecniche forniscono informazioni sulla portata di illuminazione, valutata in ambienti esterni, di notte, con oggetti reali e in scene reali.

Le telecamere termiche non riescono a vedere attraverso il vetro, al contrario delle telecamere ottiche con illuminazione IR. Gli effetti di questo aspetto dipendono dalle circostanze e dalle finalità di sorveglianza. Nella sorveglianza in interni, per esempio, l'uso di una telecamera termica può essere vantaggioso perché impedisce di riprendere fuori dalle finestre, dove la sorveglianza potrebbe non essere consentita.

Per ulteriori informazioni sulla tecnologia delle telecamere termiche, vedere: www.axis.com/technologies/thermal-imaging

Negli ambienti in cui l'illuminazione artificiale a luce bianca è vietata o può risultare invasiva, l'illuminazione IR rappresenta un'alternativa valida per consentire la sorveglianza.

Un esempio è la sorveglianza notturna del traffico, in cui la luce bianca può disturbare troppo i conducenti. Un vantaggio dell'illuminazione IR è che consente una sorveglianza molto discreta e strategicamente utile in molti scenari, oltre a non aumentare l'inquinamento luminoso in generale. L'effetto deterrente degli illuminatori a luce ottica, tuttavia, è spesso preferibile.

L'illuminazione IR può essere utilizzata quando non è essenziale acquisire informazioni a colori. Il video in bianco e nero però, ha anche una velocità di trasmissione nettamente inferiore a quello a colori: questo significa che la larghezza di banda e lo spazio di archiviazione necessari sono ridotti.

Il contrasto superiore e i bassi livelli di rumore offerti da una telecamera Day&Night con illuminazione IR, inoltre, la rendono particolarmente adatta alle analitiche video e alla sorveglianza notturna di oggetti che si muovono velocemente, come il traffico menzionato sopra. Il riconoscimento targhe (LPR) è un'applicazione di analisi video che, in alcuni casi, trae vantaggi dall'illuminazione ad infrarossi. Le targhe riflettono molta più luce ad infrarossi di qualsiasi altro oggetto nell'immagine, consentendo all'algoritmo LPR di reagire solo alle targhe e a nient'altro. Inoltre, qualsiasi modifica non autorizzata alle targhe viene rilevata facilmente.

Per trarre il massimo vantaggio dall'illuminazione a infrarossi, i sistemi ottici devono garantire prestazioni costanti sia nello spettro del visibile che in quello dell'infrarosso vicino (NIR). Gli obiettivi convenzionali presentano spesso uno spostamento della messa a fuoco, ovvero il piano focale si sposta quando la telecamera passa dalla luce visibile a quella nell'infrarosso vicino. Questo effetto è dovuto all'indice di rifrazione del vetro ottico, che varia in funzione della lunghezza d'onda; ciò comporta lievi variazioni nella posizione di messa a fuoco e può causare una riduzione della nitidezza quando la fotocamera utilizza l'illuminazione a infrarossi.

Le lenti con correzione IR attenuano questo problema. Grazie all’utilizzo di vetri speciali e a un’ottica appositamente progettata, riducono al minimo lo spostamento focale cromatico e stabilizzano il piano dell’immagine su tutte le lunghezze d’onda. Ciò garantisce una nitidezza costante al variare delle condizioni di illuminazione, abilitando le regolazioni dinamiche dell'infrarosso e un'acquisizione delle immagini affidabile e di alta qualità al buio.

L'illuminazione artificiale ad infrarossi può essere fornita da illuminatori standalone o integrata sulla telecamera. Le applicazioni di sorveglianza possono beneficiare dell'uso simultaneo di entrambi i sistemi: mentre gli illuminatori standalone sono in genere più potenti e hanno una portata maggiore, quelli integrati possono essere più adatti alle brevi distanze perché sono adattati esclusivamente alla specifica telecamera e alle sue caratteristiche, ai livelli di zoom e così via.

Un illuminatore IR, sia integrato sulla telecamera che standalone, deve proiettare una luce uniforme nell'intero campo visivo della telecamera. Deve avere una lunga portata, ma anche evitare che la telecamera sovraesponga gli oggetti vicini. In genere, questo richiede una telecamera con Wide Dynamic Range.

Gli illuminatori IR devono avere rilevatori a luce visibile integrati e spegnersi automaticamente per risparmiare energia durante il giorno o quando altre sorgenti luminose erogano una luce sufficiente. Inoltre, occorre evitare che i LED si surriscaldino per fare in modo che durino a lungo.

Integrando la telecamera e l'illuminazione su un solo dispositivo, l'intero sistema è più discreto. Questo è particolarmente importante nella sorveglianza di edifici più antichi o tutelati, come musei e palazzi storici.

Le telecamere Axis con illuminazione IR incorporata sono facili da installare e integrare. Non richiedono cavi esterni o alimentatori supplementari perché i LED IR a basso consumo vengono alimentati direttamente dalla telecamera tramite Power over Ethernet (PoE). Un sistema con illuminazione integrata sulla telecamera può anche essere più economico perché richiede meno componenti da installare e, dunque, meno componenti soggetti a riparazione e manutenzione.

Nelle telecamere con illuminazione a infrarossi integrata, è necessario impedire che la luce IR penetri nell'obiettivo o venga riflessa verso di esso. Il rischio di riflessi è particolarmente elevato quando sulla cupola sono presenti gocce d'acqua o neve. La soluzione ottimale consiste in un design che isoli fisicamente i LED a infrarossi dall'obiettivo della fotocamera.

Ciò può essere ottenuto attraverso un approccio che prevede una schermatura articolata in tre parti:

• Una parete interna nera funge da barriera tra l'obiettivo e il LED.

• La plastica della cupola è dotata di uno schermo nero che impedisce alla luce di riflettersi all'interno tra il vano IR e il vano dell'obiettivo.

• Un bordo esterno, sporgente, sulla cupola impedisce alle gocce di pioggia di creare canali attraverso i quali la luce possa essere convogliata dalla superficie verso la zona dell'obiettivo.

In alternativa, per le telecamere che non dispongono di tutti i tipi di protezione integrata, è possibile utilizzare uno parapioggia esterno per mantenere la cupola libera da gocce di pioggia o neve.

A sinistra: Questa telecamera con LED a infrarossi integrati utilizza tutti e tre i metodi di schermatura per impedire i riflessi infrarossi.

A destra: Questa telecamera con LED a infrarossi integrati è dotata di una parete interna che funge da barriera tra l'obiettivo e i LED, nonché di un parapioggia.

Gli illuminatori IR standalone, da utilizzare con le telecamere per le riprese diurne e notturne, hanno in genere una portata superiore all'illuminazione IR integrata sulla telecamera perché utilizzano più LED e producono più luce. È possibile utilizzare più illuminatori e posizionarli liberamente nell'area di destinazione, in modo da ampliare notevolmente la copertura dell'illuminazione. Inoltre, consentono di orientare la telecamera con più libertà.

Poiché l'illuminazione e l'obiettivo della telecamera sono più separati fisicamente rispetto a quando si utilizzano illuminatori standalone, rispetto agli infrarossi integrati sulla telecamera, gli insetti e la sporcizia attratti naturalmente dalla luce non si avvicinano all'obiettivo tanto da compromettere negativamente il video.

Quando si utilizzano illuminatori standalone, occorre verificare che l'illuminazione sia idonea alla scena. Un'area illuminata con un fascio di luce troppo stretto causa una perdita di visibilità o un abbagliamento al centro e un'illuminazione non adeguata nelle zone più esterne. Per contro, un fascio di luce troppo ampio comporta sia minore portata luminosa in direzione frontale che illuminazione superflua di oggetti esterni all'area di interesse.

Gli illuminatori standalone Axis sono dotati di lenti intercambiabili e divergenti che consentono di avere una larghezza di illuminazione adatta alla scena. Poiché tutte le regolazioni degli illuminatori devono essere effettuate manualmente sul posto, gli illuminatori standalone rendono di più con telecamere che mantengono un livello di zoom e un campo visivo piuttosto costanti.

Le telecamere Axis con OptimizedIR offrono una combinazione unica ed efficace tra intelligenza della telecamera e tecnologia a LED sofisticata. A questo scopo si utilizzano le più avanzate soluzioni IR integrate prodotte da Axis, Esempi includono una tecnologia brevettata che garantisce un'illuminazione costante, uniforme nel campo visivo variabile della telecamera, una dissipazione del calore estremamente efficiente e l'uso di LED a lungo raggio, di alta qualità che sono ottimizzati per la telecamera. Il sistema OptimizedIR è adattato su misura per ogni modello di telecamera e può essere composto da diverse soluzioni, a seconda delle funzionalità e dei prerequisiti specifici della telecamera. OptimizedIR è anche in continua evoluzione e vengono regolarmente aggiunte nuove funzionalità avanzate.

Una caratteristica della tecnologia OptimizedIR, utilizzata su alcune telecamere con zoom remoto, è la capacità di adattare l'angolo di illuminazione al livello di zoom. Utilizzando lenti specifiche ad alta precisione, i LED IR formano un angolo di illuminazione che segue i movimenti dello zoom della telecamera per erogare l'esatta quantità di luce. L'intero campo visivo è illuminato in ugual modo, per un video con un'esposizione ottimale, ad alta qualità e a basso rumore anche quando l'ambiente è totalmente buio.

A sinistra: L'angolo di illuminazione IR è leggermente più ampio dell'angolo di visione della telecamera, per garantire la stessa illuminazione nell'intera visuale della telecamera (luce blu).

A destra: se l'angolo di campo della telecamera si riduce, anche l'angolo di illuminazione IR si riduce automaticamente.

Su alcune delle soluzioni Axis più avanzate, l'intensità dei LED integrati sulla telecamera può essere regolata manualmente o automaticamente. Se occorre una qualità d'immagine ottimale, è possibile attenuare o spegnere le singole luci da remoto attraverso l'interfaccia web.

La telecamera regola automaticamente l'esposizione per una qualità d'immagine ottimale. Se la telecamera è installata vicino a una parete o un angolo, può anche essere utile attenuare automaticamente i LED più vicini ad essi, per evitare riflessi che potrebbero saturare alcune parti dell'immagine.

A seconda dell'ambiente di installazione e delle condizioni intorno alla telecamera, come le sorgenti luminose esterne, può anche essere utile regolare manualmente l'intensità dei singoli LED per personalizzare l'illuminazione IR.

OptimizedIR si basa su LED estremamente efficienti dal punto di vista energetico. Alimentato tramite PoE, non richiede cavi di alimentazione aggiuntivi.

I LED sono di alta qualità e durano nel tempo; inoltre, poiché generano poco calore, favoriscono una temperatura di esercizio più bassa, per una durata ancora maggiore. OptimizedIR è una tecnologia a risparmio energetico anche perché illumina la scena uniformemente e riduce al minimo la quantità di luce esterna al campo visivo, utilizzando pochi LED dal design meccanico ottimizzato.

Grazie alle soluzioni avanzate di dissipazione del calore e a funzionalità sofisticate, Axis offre OptimizedIR anche su alcune telecamere PTZ (Pan-Tilt-Zoom). Utilizzando più LED con diverse lenti e intensità luminose variabili, l'illuminazione viene adattata in modo ottimale al campo visivo e al fattore di zoom. Che la telecamera effettui una panoramica, un'inclinazione o uno zoom, questo sistema dinamico di controllo del raggio IR adatta la luce IR in modo fluido all'inquadratura della telecamera.

Affinché il design della telecamera PTZ sia discreto, tutti i LED integrati devono essere posizionati vicino al sensore di immagine, senza collegarsi a dissipatori esterni. Per questo, il raffreddamento dei LED è fondamentale.

Le telecamere PTZ Axis con OptimizedIR utilizzano tubi di calore per condurre il calore generato dai LED lontano dal sensore e dai LED stessi, in modo che la temperatura d'esercizio rimanga idonea. Questo permette al sensore di produrre immagini di alta qualità e a basso rumore, garantendo anche una lunga durata dei LED. Questa soluzione di dissipazione del calore consente anche di adottare un design a cupola compatto che occulta la direzione della telecamera e che, insieme all'illuminazione nel vicino infrarosso di OptimizedIR, offre una sorveglianza totalmente discreta.

Le telecamere Axis sono sicure secondo la normativa europea EN 62471, basata sulla versione internazionale IEC 62471. In conformità con questa normativa, le telecamere e l'illuminazione integrata non sono dannose per gli occhi di qualsiasi creatura vivente che guardi direttamente la telecamera.