Камеры забирают на машинах задачи, которые раньше решали глаза оператора: обнаружение препятствий на экскаваторах, обнаружение пешеходов на вилочных погрузчиках, обзор с нескольких камер на дистанционно управляемом погрузчике. Ночью каждой из них нужен свет, и этот свет не обязан быть видимым.
Мы делаем герметичные рабочие фары для таких машин, и в этом месяце дистрибьютор автомобильного света запросил у нас фару на 850 нм. Разбор этого запроса вскрыл пробел, общий для всех спецификаций белого света: число, по которому вся отрасль сравнивает фары, для инфракрасной просто не существует.
В этой статье разобрано, почему так происходит, что проверить на камере, прежде чем тратить деньги на излучатель, как выбирать между 850 нм и 940 нм и какие величины запрашивать у поставщика вместо люменов.
Коротко: люмен определён через чувствительность человеческого глаза, а инфракрасный свет лежит за пределами этой кривой, поэтому инфракрасный излучатель характеризуют мощностью излучения и энергетической освещённостью на заданном расстоянии, а не люменами. Прежде чем вообще сравнивать излучатели, убедитесь, что камера ночью убирает ИК-отсекающий фильтр или вовсе его не имеет, потому что камера с несъёмным фильтром инфракрасного света не видит. Выбирайте 850 нм ради дальности, а 940 нм — только когда слабое красное свечение у источника само по себе является проблемой.
Зачем камере свет, которого оператор не видит
Система обнаружения на основе камеры отказывает в темноте по той же причине, что и оператор: до сенсора не доходит свет. Разница в том, что камере можно дать свет, который для всех остальных ничего не освещает.
Предупреждение о столкновении на землеройных машинах теперь стандартизированная функция. ISO 21815-1:2022 задаёт общие требования к обнаружению объектов и предупреждению оператора. Стандарт написан вокруг функции, а не вокруг конкретного датчика, и системы на основе камер входят в число тех, что создаются для его выполнения. Камера обнаружения пешеходов на вилочном погрузчике, камера заднего вида на карьерном самосвале и группа камер на дистанционно управляемой машине имеют одну общую потребность: достаточно света на сцене, чтобы получить пригодное изображение, каждый час работы машины.
Белые рабочие фары закрывают эту потребность, но не бесплатно. Они освещают всю площадку, слепят любого, кто стоит лицом к машине, и нацелены на поле зрения оператора, а не камеры. Инфракрасный излучатель даёт свет ровно туда, куда смотрит камера, на длине волны, которую сенсор может использовать, а человек почти не замечает. Именно поэтому инфракрасная подсветка стала нормой для стационарных камер видеонаблюдения и теперь начинает следовать за камерой на машину.
Тот самый запрос, с которого началась эта статья, пришёл с полным чертежом и спецификацией. В ней были указаны напряжение, габариты, крепление и разъём. Чего в ней не могло быть, потому что такой величины не существует, — это люменов.
Излучатель, который нельзя описать люменами
Световой поток, величина, стоящая за каждым числом в люменах, определяется взвешиванием мощности излучения источника по спектральной чувствительности человеческого глаза. Эта весовая функция, известная как V(λ), задана в ISO/CIE 23539, системе физической фотометрии CIE, и CIE публикует её значения от 360 нм до 830 нм. За пределами 830 нм опубликованная таблица просто заканчивается, и любое излучение там ничего не добавляет к числу люмен.
Обе распространённые длины волны инфракрасной подсветки лежат за этой границей. Излучатель на 850 нм или 940 нм может отдавать несколько ватт оптической мощности и при этом иметь световой поток, равный нулю, потому что глаз, для которого определён люмен, на этих длинах волны не реагирует. Величина равна нулю по определению.
Это меняет то, что должна сообщать спецификация. У всего словаря сравнения белого света, разобранного в нашей статье глоссария люмены, люксы и канделы, есть радиометрический двойник, описывающий ту же геометрию, только без глаза на пути.
| Что нужно узнать | Белая фара (фотометрия) | Инфракрасный излучатель (радиометрия) |
|---|---|---|
| Весь свет, выходящий из источника | Световой поток, люмены (лм) | Поток излучения, ватты (Вт) или милливатты (мВт) |
| Свет в одном направлении | Сила света, канделы (кд) | Сила излучения, ватты на стерадиан (Вт/ср) |
| Свет, приходящий на сцену | Освещённость, люксы (лк) | Энергетическая освещённость, ватты на квадратный метр (Вт/м²) или мВт/см² |
| Где находится энергия | Цветовая температура, кельвины (К) | Пиковая длина волны и спектральная полуширина, нанометры (нм) |
| Насколько широк луч | Угол излучения, градусы | Угол излучения, градусы (без изменений) |
Величина, которая решает, получит ли камера пригодное изображение, — энергетическая освещённость на рабочем расстоянии, ровно так же, как для человека решающей величиной является освещённость на рабочей поверхности. В статье достаточно ли 3,000 люмен для рабочей фары этот довод изложен для белого света. Для инфракрасного света число люмен не просто бесполезно. Его нет.
Поставщик, который указывает для инфракрасного излучателя люмены, либо пересчитал их из электрических ватт, что ничего не говорит об оптическом выходе, либо приводит слабый видимый хвост излучателя на 850 нм. Ни то ни другое число не описывает того, что доходит до камеры.
850 нм или 940 нм: дальность против свечения
Выбор между двумя стандартными длинами волны — это компромисс между тем, как далеко видит камера, и тем, видит ли кто-нибудь сам излучатель.
Axis Communications, которая встраивает инфракрасную подсветку в собственные камеры, прямо описывает этот компромисс в своём опубликованном техническом документе об инфракрасной подсветке в видеонаблюдении: излучатели на 850 нм дают слабое красное свечение, видимое у источника, а излучатели на 940 нм — нет, но сенсор изображения на 940 нм менее чувствителен, поэтому излучатель на 850 нм той же мощности достаёт дальше. На этом основании Axis выбрала для своих продуктов 850 нм.
| 850 нм | 940 нм | |
|---|---|---|
| Видимость для человека | Слабое красное свечение у излучателя при прямом взгляде на него; сам луч не виден | Видимого свечения нет |
| Чувствительность сенсора изображения | Выше | Ниже, поэтому для той же дальности нужна большая мощность излучателя |
| Дальность при той же мощности излучателя | Больше | Меньше |
| Типичная причина выбора | Дальность обнаружения, меньшая мощность для заданного расстояния | Само свечение не должно быть видно |
| На машине ночью | Свечение заодно служит оператору индикатором включения | Излучатель никак не показывает, что работает |
На машине свечение 850 нм обычно преимущество, а не проблема. Это единственный способ, которым оператор, обходящий машину, может понять, что излучатель под напряжением, и оно ничего не стоит в дальности. Выбирайте 940 нм, когда применение действительно требует, чтобы источник не показывал никакого света, и в этом случае закладывайте большую мощность излучателя или меньшую дальность обнаружения.
Проверьте ИК-отсекающий фильтр, прежде чем покупать любой излучатель
Самая дорогая ошибка в этой категории — купить инфракрасный излучатель для камеры, которая инфракрасного света не видит. Ошибка распространённая, и в спецификации её не видно.
Цветные сенсоры изображения чувствительны далеко в ближнем инфракрасном диапазоне. Эта чувствительность портит дневную цветопередачу, поэтому почти каждая цветная камера несёт перед сенсором ИК-отсекающий фильтр. У камеры с несъёмным фильтром он остаётся на месте всегда, и свет 850 нм блокируется, не доходя до сенсора. У камеры «день/ночь» фильтр механически убирается, когда освещённость падает ниже порога, и сенсор затем использует инфракрасный свет. Axis описывает это переключение в том же техническом документе. Монохромные камеры машинного зрения часто вовсе не имеют фильтра.
Следствие: работает ли инфракрасная подсветка, решает камера, а не излучатель. Ответ дают три вопроса:
Это камера «день/ночь» со съёмным ИК-отсекающим фильтром или цветная камера с несъёмным фильтром? В техническом описании производителя это указано. Если нет — спросите.
При какой освещённости она переключается и можно ли переключить её принудительно? Некоторые системы позволяют включать ночной режим вручную, а это важно для машины, которая переезжает между освещёнными и неосвещёнными зонами.
Работает ли программа обнаружения на том же видеопотоке? Системе обнаружения, которая использует отдельный сенсор, а не камеру обзора для оператора, может понадобиться собственная подсветка.
Есть и пятисекундная проверка, для которой не нужно никакое техническое описание. Большинство инфракрасных пультов дистанционного управления используют излучатель ближнего инфракрасного диапазона. Направьте пульт на камеру в темноте и нажмите кнопку. Если на изображении с камеры видно, как излучатель мигает, значит, сенсор принимает ближний инфракрасный свет через тот фильтр, что стоит перед ним. Если на изображении ничего нет, инфракрасный излучатель тоже ничего не покажет.
Невидимый свет тоже мерцает
Инфракрасный светодиод, управляемый широтно-импульсной модуляцией, включается и выключается много раз в секунду, и камера, которая снимает сцену кадр за кадром, видит это переключение как полосы или как кадры, более тёмные, чем соседние. Ни один человек этого мерцания не видит, потому что никто не видит самого света, и именно поэтому оно остаётся недиагностированным.
Автомобильным камерам уже пришлось это стандартизировать. IEEE 2020-2024, стандарт IEEE по качеству изображения автомобильных систем, включает мерцание светодиодов в число параметров качества изображения, для которых задаёт методы измерения. Алгоритм обнаружения, работающий на мерцающем видеопотоке, в одних кадрах имеет меньше полезной информации, чем в других, и теряет он не те кадры, которые заметил бы человек.
Для инфракрасного излучателя на машине практические вопросы такие: работает ли драйвер в режиме стабилизации тока, а не в импульсном, и если он импульсный ради диммирования, то на какой частоте. Запрашивайте тип драйвера письменно. Та же электроника драйвера стоит рядом с кабелями камеры, а это ближайший кандидат в жертвы, если драйвер шумит, и это уже вопрос CISPR 25, который мы разбирали со стороны радио в статье почему фары со знаком E-Mark всё равно создают помехи радиосвязи и GPS. Камера — следующий приёмник в этом списке.
Невидимому свету нужна своя строка по безопасности
Обычная защита глаза от яркой лампы — отвернуться, моргнуть и дать зрачку сузиться. Каждая из этих реакций зависит от того, что свет виден. Инфракрасный свет не запускает ни одной из них.
IEC 62471, стандарт фотобиологической безопасности ламп и ламповых систем, охватывает оптическое излучение от 200 нм до 3,000 нм, куда входят обе длины волны инфракрасной подсветки, и оценивает инфракрасные опасности для роговицы, хрусталика и сетчатки отдельно от опасностей видимого света. Изделия делятся на группы риска от RG0, свободной от риска, до RG3, высокого риска. Инфракрасный излучатель не освобождается от этой классификации из-за того, что он невидим. Скорее наоборот: отсутствие любого предупреждения для человека, который на него смотрит, и есть причина, по которой эта классификация существует.
Запросите у поставщика группу риска по IEC 62471 и расстояние, на котором она была оценена. Мы не воспроизводим здесь предельные значения облучения, потому что предел, переписанный без контекста, — это тот самый способ, которым таблица безопасности сама становится источником опасности. Группа риска в техническом описании, с указанием расстояния испытания, — вот величина для сравнения.
Из невидимости следуют два практических вывода. Во-первых, инфракрасный излучатель нужно устанавливать и нацеливать по изображению самой камеры, потому что никто не видит, куда идёт луч. Во-вторых, излучателю, который не подаёт видимых признаков работы, нужна какая-то другая индикация того, что он под напряжением: свечение 850 нм, светодиод состояния или сигнал неисправности на контроллер машины.
Что писать в запросе
Поставщик может подобрать инфракрасный излучатель только под ту камеру, которую он обслуживает. Запрос, на который приходит полезный ответ, содержит сначала данные камеры, а потом данные излучателя.
| Пункт | Почему это важно |
|---|---|
| Марка и модель камеры, а также несъёмный или съёмный у неё ИК-отсекающий фильтр | Решает, будет ли вообще работать какой-либо инфракрасный излучатель |
| Расстояние, на котором должно работать обнаружение, и поле зрения | Задаёт требуемую энергетическую освещённость и угол излучения |
| Предпочтительная длина волны, 850 нм или 940 нм, либо «без предпочтений» | Дальность против свечения и вытекающий из этого бюджет мощности |
| Бортовая сеть машины, 12 В или 24 В, и питание, доступное в точке установки | Конструкция драйвера; герметичные фары для таких машин обычно рассчитаны на диапазон 9–32 В постоянного тока |
| Место и условия установки: мойка под давлением, вибрация, температура | Те же требования к герметичности и вибростойкости, что и у белых рабочих фар на той же машине |
| Требуемый тип драйвера, со стабилизацией тока или импульсный, и любой предел мерцания от производителя камеры | Качество изображения для алгоритма обнаружения |
| Группа риска по IEC 62471, требуемая площадкой или производителем машины (OEM) | Фотобиологическая безопасность невидимого источника |
Белые фары на той же машине описываются теми же требованиями к герметичности и вибростойкости, и линейка, в которой собраны сверхмощные светодиодные рабочие фары, показывает, как эти цифры выглядят в техническом описании. Линейка фар безопасности для вилочных погрузчиков — то место, где обнаружение пешеходов по камере чаще всего впервые упирается в вопрос освещения.
Часто задаваемые вопросы
Видит ли камера инфракрасный свет 850 нм?
Только если ничто его не блокирует. Сенсор изображения чувствителен к 850 нм, но цветная камера с несъёмным ИК-отсекающим фильтром блокирует этот свет, не пропуская его до сенсора. Камера «день/ночь» убирает фильтр при слабом освещении и после этого хорошо видит 850 нм. Проверьте тип камеры до покупки любого инфракрасного излучателя.
Что лучше для камеры на машине: 850 нм или 940 нм?
В большинстве случаев 850 нм. Сенсоры изображения к нему более чувствительны, поэтому при той же мощности излучателя он даёт большую дальность, а слабое красное свечение у источника позволяет людям понять, что излучатель включён. Выбирайте 940 нм только когда источник вообще не должен показывать видимого света, и будьте готовы заплатить за это мощностью излучателя или дальностью.
Есть ли у инфракрасных излучателей световой поток в люменах?
Нет. Люмены определены через кривую чувствительности человеческого глаза, а инфракрасные длины волны лежат за её пределами, поэтому световой поток инфракрасного излучателя равен нулю по определению. Сравнивайте инфракрасные излучатели по потоку излучения в ваттах и по энергетической освещённости на рабочем расстоянии.
Безопасно ли смотреть на инфракрасные светодиодные излучатели?
Не автоматически. Инфракрасные излучатели классифицируются по IEC 62471 в те же группы риска, что и видимые лампы, а обычная реакция глаза на яркий источник — отвернуться и сузить зрачок — не срабатывает на свет, которого он не видит. Запросите у поставщика группу риска и расстояние, на котором она была оценена.
Начните с камеры
Решение, которое закрывает эта статья, — что именно запрашивать. Убедитесь, что камера ночью видит инфракрасный свет, выберите между 850 нм и 940 нм по соотношению дальности и свечения и задайте излучатель через энергетическую освещённость на рабочем расстоянии, тип драйвера и группу риска по IEC 62471, а не через люмены.
Инфракрасные излучатели для камер на технике — линейка, которую мы пока только изучаем, а не та, что уже есть в нашем каталоге. Если у вас камеры на машинах работают ночью, сообщите нам модель камеры и расстояние, которое она должна перекрывать, и мы скажем, каким должен быть герметичный излучатель для этой машины. А пока белые фары для той же машины — это сверхмощные светодиодные рабочие фары из нашего каталога, а довод, с которого началась эта статья, для белого света изложен в статье достаточно ли 3,000 люмен для рабочей фары.
---
