Sotto la luce migliore

Documento tecnico
Sotto la luce migliore
Le difficoltà dell’illuminazione ridotta al minimo
Sommario
1.Introduzione 3
2.Il puzzle della sensibilità alla luce 3
3.Non fatevi ingannare! 5
4. La scelta più intelligente 6
1.
Introduzione
La luce è essenziale per la qualità d’immagine. Di norma, quanta più luce è disponibile sulla scena, tanto
migliore sarà l’immagine, purché non sia sovraesposta. Se la quantità di luce è insufficiente, l’immagine
sarà ofuscata o scura. La quantità di luce richiesta per produrre un’immagine di buona qualità dipende
dalla telecamera e dalla sua sensibilità alla luce. In altre parole, quanto più scura è la scena, tanto più la
telecamera deve essere sensibile alla luce.
La sensibilità alla luce, o illuminazione minima, corrisponde alla minima quantità di luce necessaria perché la telecamera produca un’immagine di qualità utilizzabile. L’illuminazione minima viene indicata in
lux (lx), cioè una misura dell’illuminazione, spesso erroneamente indicata come intensità luminosa. Si
potrebbe quindi dire che la sensibilità della telecamera aumenta man mano che diminuisce il valore in
lux indicato dal fornitore. Tuttavia, la questione non è così semplice. Il problema dell’illuminazione minima presenta un paradosso. Anche se la sensibilità alla luce è spesso un fattore chiave per decidere tra
prodotti e fornitori, costituisce un aspetto sfuggente della tecnologia delle telecamere e uno dei più
difficili da rappresentare.
Questo documento cerca di offrire altri spunti alla discussione sulla sensibilità alla luce, per evidenziarne le
ambiguità e spiegare perché la verifica sul campo è preferibile rispetto ai confronti basati sulle schede tecniche ed è necessario per individuare quale prodotto acquistare dopo avere effettuato un’attenta analisi.
2.
Il puzzle della sensibilità alla luce
Il processo di misurazione della sensibilità alla luce è complicato e non fornisce risultati conclusivi. Questo deriva da molteplici ragioni.
Innanzitutto, l’illuminanza viene misurata con un misuratore di lux. Benché il metodo di misurazione sia
in sé preciso, le letture dei lux sono ingannevoli riguardo alla descrizione della sensibilità alla luce di una
telecamera, poiché i misuratori di lux e le telecamere non acquisiscono le stesse informazioni sulla luce.
Così, quando si parla di illuminazione o lux, si indica il modo in cui è illuminata la scena, non il modo in
cui la luce viene raccolta dalla telecamera.
Mentre un misuratore di lux registra la quantità di luce visibile che raggiunge, o illumina, una data area
(luce incidente), una telecamera registra la quantità di luce riflessa dagli oggetti nell’area coperta (luce
riflessa). In tal modo, le letture in lux di due persone che occupano lo stesso spazio, dove una è vestita
in bianco e l’altra in nero, risulterebbero identiche. Tuttavia, la quantità di luce acquisita da una telecamera che copre la stessa scena può essere inferiore o superiore, il che avviene in parte perché la persona vestita in nero riflette meno luce della persona vestita bianco. Inoltre, gli oggetti lucidi riflettono più
luce degli oggetti opachi e le condizioni meteorologiche influenzano anch’esse l’illuminazione e i riflessi.
Mentre la neve intensifica la luce riflessa, la pioggia assorbe gran parte della luce riflessa.
Figura 1. Differenza fra la luce incidente misurata da un misuratore di lux e la luce riflessa catturata da una telecamera.
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In secondo luogo, molte scene naturali hanno un’illuminazione piuttosto complessa, con retroilluminazione, ombre e luci che influenzano il modo in cui la telecamera interpreta la scena. La retroilluminazione, ad esempio, porrà l’oggetto all’oscuro, limitando la possibilità di identificarlo in modo certo. Nella
sorveglianza di ambienti esterni, durante il giorno la luce solare cambia per intensità e direzione. È quindi necessario considerare, che un determinato valore lux misurato non si riferisce alla condizione di illuminazione di un’intera scena e non dice nulla sulla direzione della luce.
Figura 2. Esempi che illustrano come appaiono in realtà 5 lux (a sinistra) 80 lux (al centro) e 4000 lux (a destra).
Ricordare che, quando un valore in lux viene misurato in una scena, questo rappresenta solo l’illuminazione
sull’oggetto a fuoco. Nelle immagini qui sopra, ad esempio, il valore in lux rappresenta l’illuminazione sul
punto dell’albero o davanti all’edificio. Non si è tenuto conto del cielo più luminoso o del terreno più scuro.
Inoltre, esistono numerosi fattori che influenzano la sensibilità alla luce di una telecamera. Questi includono
il tempo di esposizione, l’apertura dell’obiettivo, la dimensione e la qualità del sensore, la qualità dell’obiettivo e la temperatura di colore. Anche il livello IRE deve essere considerato tra i fattori, malgrado sia un
valore analogico che persiste nel mondo digitale attraverso la sua interpretazione e nonostante la sua inapplicabilità.
Molti di questi fattori possono essere manipolati in modo che la telecamera raccolga più luce. In effetti,
alcuni fornitori manipolano senza ritegno i valori per far sì che i loro prodotti sembrino migliori. Ad esempio,
un aumento del tempo di esposizione (rallentando la velocità dell’otturatore) farà in modo che più luce
raggiunga il sensore. Questo rappresenta un modo conveniente per migliorare la qualità d’immagine e ottenere buoni valori con le immagini statiche. Tuttavia, se nella scena c’è del movimento, l’immagine video sarà
mossa e non sarà possibile identificare l’oggetto. Questo non impedisce ai fornitori di usare questo trucco
quando forniscono immagini e dati di esempio. Fare sempre attenzione ai fornitori che esibiscono immagini
statiche come prova delle prestazioni della loro telecamera su immagini in movimento in condizioni di scarsa illuminazione.
Il guadagno non influisce sulla sensibilità alla luce della telecamera, ma permette di amplificare il segnale
video. Aumentando il livello di guadagno si aumenta il segnale video e si rende più luminosa l’immagine. In
compenso, viene aumentato anche il livello di disturbo nell’immagine. È come aumentare il volume di una
radio con una scarsa ricezione; si sentirebbero più forte non solo la musica ma anche le scariche e le interferenze.
Figura 3. A sinistra, una scena ripresa a 500 lux con basso guadagno. A destra, una scena simile ripresa anch’essa a
500 lux ma con guadagno elevato. Le immagini mostrano come un aumento del guadagno amplifica il segnale video
e rende più luminosa l’immagine, aumentando purtroppo anche il livello di disturbo nell’immagine.
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Infine, anche se forse è il fattore più importante, non esiste attualmente sul mercato nessuno standard
globale per la misurazione dell’illuminazione minima, il che significa che nemmeno i leader del mercato
condividono lo stesso metodo, il che rende molto difficile per qualsiasi fornitore ottenere valori corretti e
fare in modo che i propri clienti li accettino con fiducia.
3.
Non fatevi ingannare!
Come conseguenza delle difficoltà descritte in precedenza, il confronto tra prodotti da fornitori diversi
basati sui valori in lux, sui valori F o sulle dimensioni dei sensori risulta falsato in partenza. L’acquisto di
una telecamera basato su presupposti inadeguati può risultare sbagliato. Una telecamera con
un’illuminazione minima di 5 lx, F10, in condizioni di scarsa luminosità può avere le stesse prestazioni di
una telecamera con 0,05 lx, F1,0. La stessa proprietà può essere espressa in molti modi diversi e i vari
fornitori usano valori di riferimento diversi. Di conseguenza, l’esame dei prodotti di fornitori concorrenti è molto più complicato del semplice confronto dei dati tecnici.
Alcuni arrivano ad ottimizzare le prestazioni durante il test usando obiettivi non standard o obiettivi più
costosi appartenenti ad una fascia più alta che il cliente medio sarebbe riluttante ad acquistare. Non
dimenticare di confrontare il valore di illuminazione minima e il valore F con il valore F effettivo
dell’obiettivo standard, se ne viene fornito uno insieme alla telecamera. Le telecamere Axis offrono il
pacchetto completo; le telecamere sono sempre consegnate con un obiettivo e le nostre prove sono
coerentemente eseguite con la scelta di obiettivo standard e le impostazioni predefinite.
Come esperimento, abbiamo utilizzato il metodo 1 di Axis per la misurazione dell’illuminazione minima
per confrontare alcuni dei nostri prodotti con prodotti simili forniti da altri produttori. Tutte le immagini
che seguono sono state acquisite usando le impostazioni predefinite delle telecamere e le differenze fra
i valori in lux specificati nelle schede tecniche dei prodotti e i risultati della prova parlano da sole.
Telecamere di rete fisse
AXIS P1346 Network Camera
Prodotto concorrente 1
Prodotto concorrente 2
Immagine di prova2 Scheda tecnica3
0,5 lx
0,6 lx (a colori)
Immagine di prova2 Scheda tecnica3
0,5 lx
0,3 lx (a colori)
Immagine di prova2 Scheda tecnica3
0,1 lx
0,2 lx (a colori)
AXIS M1031-W Network Camera
Prodotto concorrente 1
Prodotto concorrente 2
Immagine di prova2 Scheda tecnica3
1 lx
1 lx (a colori)
Immagine di prova2 Scheda tecnica3
1 lx
1 lx (a colori)
Immagine di prova2 Scheda tecnica3
1 lx
0,5 lx (a colori)
1
2
3
Nota tecnica sulla misurazione dell’illuminazione minima (MMI))
Il metodo Axis è reperibile all’indirizzo www.axis.com/corporate/corp/tech_papers.htm
Illuminazione durante la prova
Illuminazione minima specificata nel foglio dati del prodotto
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Telecamere di rete a cupola fisse
AXIS M3114-R Network Camera
Prodotto concorrente 1
Prodotto concorrente 2
Immagine di prova2 Scheda tecnica3
0,5 lx
1 lx (a colori)
Immagine di prova2 Scheda tecnica3
0,5 lx
0,5 lx (a colori)
Immagine di prova2 Scheda tecnica3
0,5 lx
0,4 lx (a colori)
Se per i requisiti dell’installazione il valore di illuminazione minima è un fattore decisionale chiave, il
tempo dedicato ad un confronto delle telecamere sul campo, senza fidarsi ciecamente dei valori presentati, rappresenta un ottimo investimento.
4.
La scelta più intelligente
In conclusione, esistono due modi per scegliere una telecamera in maniera oculata ed efficiente. Il modo
migliore consiste nel confrontare le telecamere sul campo con oggetti in movimento, in quanto è l’unico
modo in cui le telecamere possono essere effettivamente testate in base ai requisiti della specifica applicazione. Se non è possibile un confronto sul campo, assicurarsi di rivolgersi ad un fornitore che utilizza un processo documentato e ripetibile, poiché questo garantisce:
> che i prodotti di quel particolare fornitore possono essere confrontati l’uno con l’altro.
> che i valori nominali non sono stati manipolati per vendere un particolare prodotto al di fuori del suo
campo di applicazione.
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Tempo di esposizione
Qualità del sensore
Il tempo in cui il sensore immagini è esposto alla
luce viene detto tempo di esposizione. Quanto
maggiore è il tempo di esposizione, tanto maggiore è la quantità di luce che un sensore immagini riceve. L’aumento dell’esposizione migliora
la qualità d’immagine in condizioni di scarsa illuminazione, ma può determinare immagini sfocate e ridurre la velocità di trasmissione totale,
poiché l’esposizione di ogni fotogramma richiede un intervallo di tempo maggiore.
La luce che passa attraverso l’obiettivo viene
messa a fuoco sul sensore immagini della telecamera di rete. I pixel del sensore registrano
la quantità di luce a cui sono esposti e la convertono nel corrispondente numero di elettroni, o segnali elettrici. Quanto maggiore è la
luce, tanto maggiore è il numero di elettroni.
F-stop
L’f-stop, o numero f, indica la capacità delle
lenti di raccogliere la luce. È il rapporto fra la
distanza focale (la distanza fra il centro della
Come regola generale, un sensore più grande
raccoglie più luce di un sensore più piccolo e
anche la capacità di ogni pixel di memorizzare
gli elettroni aumenta con la dimensione dei
pixel. Oggigiorno esistono comunque tecnologie e progettazioni che migliorano e concentrano la luce e aumentano la sensibilità di un
sensore. In tal modo, sensori e pixel più piccoli possono essere molto migliori di quelli grandi. L’unico modo per saperlo con certezza è
riuscire a vedere oltre la dimensione dei pixel
e testare il sensore.
Temperatura del colore
Lunghezza focale
lente e il suo punto focale) e il diametro
dell’apertura (l’apertura del diaframma che per-
Apertura grande
La temperatura del colore viene misurata in
gradi Kelvin (K). La scala è basata sul fatto che
tutti gli oggetti riscaldati emettono radiazioni.
La prima luce visibile irradiata da un oggetto
riscaldato è rossa e, man mano che aumenta la
Apertura piccola
mette di far arrivare la luce al sensore attraverso la lente). Quanto più piccolo è il numero f,
tanto maggiore è la capacità delle lenti di raccogliere la luce. Gli f-stop sono spesso scritti
come Fx o f/x (distanza focale/apertura). Un fstop pari a F4 indica che il diametro del diaframma è uguale alla lunghezza focale divisa
per 4; quindi, se una telecamera ha un obiettivo
da 8 mm, la luce deve passare attraverso
un’apertura del diaframma di 2 mm di diametro.
Qualità dell’obiettivo
La qualità del materiale dell’obiettivo e la progettazione del gruppo dell’obiettivo influiscono sul tipo di risoluzione fornito dall’obiettivo
stesso. Nessun obiettivo è perfetto e tutti
creano qualche forma di aberrazione o difetto
nell’immagine come effetto delle loro limitazioni. Gli obiettivi sono prodotti in modo da
corrispondere al sensore ed è importante scegliere un obiettivo adatto alla telecamera.
temperatura dell’oggetto riscaldato, il colore
irradiato tende al blu. Così come la temperatura del colore della luce del giorno varia durante
il giorno, la luce negli ambienti chiusi ha un’intera gamma di temperature di colore. L’occhio
umano compensa le differenze dei colori prodotti dalle diverse sorgenti luminose, per far
sembrare che gli oggetti mantengano il proprio colore. Le telecamere devono invece essere adattate secondo l’illuminazione locale. Di
solito hanno una modalità automatica, in cui il
bilanciamento del bianco viene calcolato automaticamente, invece di fare riferimento manualmente a una superficie neutra, come una
scheda grigia. Esistono anche impostazioni
della telecamera che permettono di ottimizzare la rappresentazione dei colori.
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41167/IT/R1/1101
www.axis.com
Informazioni su Axis Communications
Axis é una Societá IT che offre soluzioni video di rete per
installazioni professionali. La Societá é il leader
mondiale per il video di rete, che stimola il mercato per
la transazione dal video analogico a quello digitale di
sorveglianza. I prodotti e le soluzioni Axis si concentrano
sulla sorveglianza di sicurezza e monitoraggio remoto, e
sono basate su piattaforme innovative e a tecnologia
aperta.
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mondo, con filiali aperte in 20 Paesi e ha stretto collaborazioni con partner in più di 70 Nazioni. Fondata nel
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