Iluminadores IR en videovigilancia

En la revisión de los sistemas de iluminación IR como apoyo a la videovigilancia abordaremos estos puntos: 

• Espectro electromagnético 
• La importancia de la iluminación en videovigilancia
• Consideraciones de diseño 
• Ventajas del uso de iluminadores IR externos

Espectro electromagnético 

Antes de comenzar con el uso de la luz infrarroja en videovigilancia, repasemos el concepto del espectro electromagnético y su relación con la luz infrarroja. 

Por definición, el espectro electromagnético es el conjunto de longitudes de onda de todas las radiaciones electromagnéticas. Por lo tanto, hay una distribución o rango energético del espectro electromagnético.

Las radiaciones con menor longitud de onda corresponden a los rayos gamma (10x10-12 m) y con mayor longitud de onda están las ondas de radio de baja frecuencia  (10x103 m). 

Fuente: elpais.com

En este rango, la porción del espectro que corresponde la luz visible está desde los 400 nm hasta los 700 nm, por encima de esta longitud de onda, está la porción del espectro correspondiente a la luz infrarroja, el cual no es visible por el ojo humano pero si por las cámaras de videovigilancia. 

La importancia de la iluminación en videovigilancia

Las condiciones de iluminación en la escena para las cámaras de videovigilancia son cruciales y debe ser un aspecto tenido en cuenta desde el diseño, no solo en aplicaciones de exteriores sino también en interiores. 

En los casos en donde la iluminación disponible no es suficiente se tendrán imágenes de poca calidad y visibilidad, de la misma manera sucede con espacios o áreas con sobre exposición de iluminación. 

Es ahí cuando las tecnologías de los diferentes fabricantes entran a jugar un papel especial en el análisis de imagen y mejoramiento de la señal. 

Antecedentes

Inicialmente las camaras combianaban el modo “día/noche” que consistía en pasar de modo color a formaro blanco y negro cuando la generacion de imágenes en color con poca iluminación generaban una señal deficiente, esta función se aplicaba removiendo de forma electrónica el filtro infrarrojo de la cámara sensando la intensidad de la luz en la escena. 

Sin embargo, el problema en condiciones de oscuridad total persistía; dependiendo así de las condiciones mínimas de iluminación visible.

Luego, los fabricantes empezaron a incorporar “ayudas” en las cámaras como los iluminadores infrarrojos que se distribuían de forma uniforme alrededor del lente, esto conllevó a mejoras significativas ya que las cámaras podían captar imágenes en condiciones de oscuridad total, sin embargo, estos iluminadores led no generan una cobertura suficiente en la escena que fuera coincidente con el ángulo o campo visual de la cámara generando imágenes parcialmente útiles, así como el alcance en profundidad era limitado en distancias cortas. 

Adicional, estos elementos sufrían daños por calentamiento en el cuerpo de la cámara, el consumo de corriente ante su activación aumentaba considerablemente exigiendo fuentes de alimentación más robustas y un mayor consumo general del sistema.

En los últimos años se han presentado varios avances en la optimización de los iluminadores IR tipo LED incorporados en las cámaras, pasando de múltiples elementos a uno o dos de alto rendimiento. 

Sumado a ello, los avances en las mejoras de imagen y resolución han mejorado la calidad de imagen resultante en condiciones de poca iluminación. Sin embargo al incorporar las funciones de análisis de contenido de video que inicialmente se basaban en el análisis de píxeles, se empezaron a generar problemas de falsas alarmas y alto consumo de ancho de banda. 

En sistemas de video IP en la medida en que las imágenes con baja compensación de iluminación tienden a distorsionarse generan ruido en la señal, por consiguiente esto aumenta la tasa de transmisión de bits ya que los algoritmos de compresión por sí mismos no son capaces de diferenciar el ruido en la imagen y la definición correcta de los objetos en la imagen de video. 

Al aumentar la tasa de bits en la señal se genera un aumento importante: el consumo de ancho de banda en la red, así como en el almacenamiento. 

Esto es un gran problema sobre todo en aplicaciones de videovigilancia en seguridad ciudadana y más aún en la transmisión de video por canales de red inalámbricos. 

Con la incorporación de IA y mejoras en el análisis del contenido de video y de algoritmos que regulan o adaptan la intensidad de la iluminación de los LED tipo IR incorporados, se han logrado mejoras importantes en la obtención de imágenes de calidad en condiciones de poca iluminación, además de mejoras en la cantidad de falsas alarmas por analíticas comunes de video y también en el consumo de ancho de banda. 

Sin embargo, con todos estos avances, el efecto de la iluminación desigual en la escena que se produce solo con los iluminadores incorporados en las cámaras persiste. 

Es ahí cuando los iluminadores como elementos adicionales son una excelente alternativa para la mayoría de los casos, en especial en análisis de video inteligente, en aplicaciones exteriores como detección de movimiento, protección perimetral y aplicaciones de control vehicular como LPR. 

Cámara VIVOTEK especial para LPR modelo IP816A-LPC-v2 Kit (HIGHWAY). 
Fuente: vivotek.com

Consideraciones de diseño 

En las cámaras de videovigilancia en cuanto mayor sea la intensidad de la Luz IR mayor será la distancia o alcance visual de la misma, por lo que es muy importante desde el diseño tener claro los objetivos de visualización y condiciones de iluminación en los diferentes escenarios. De esta manera se podrán especificar los equipos más adecuados en cada caso. 

Modelo 3D para simulación de aplicación de cámaras en espacios determinados. Fuente: axis.com

Los equipos externos para incrementar y mejorar las condiciones de iluminación en especial en ambientes de poca iluminación y escenarios dinámicos, generalmente se aplican en instalaciones en exterior y de amplias zonas a cubrir como en protección perimetral, vigilancia ciudadana, aplicaciones de LPR en vías amplias o autopistas, entre otros.  

Aplicación de iluminadores externos en vigilancia ciudadana. Fuente: light2015blogdotorg.wordpress.com 

Son tres los aspectos más relevantes a tener en cuenta en la especificación de estos equipos:

• Ángulo de cobertura
• Distancia 
• Longitud de onda 

Ángulo de cobertura

El ángulo de cobertura o de iluminación que suministre el equipo no debe ser inferior al de la cámara, esto con el fin de evitar la sobreexposición en los elementos de la escena. Al tener el mismo ángulo de iluminación o incluso mayor que el de visualización de la cámara se tendrán imágenes más claras y óptimas para el sistema de videovigilancia. 

Distancia

La distancia o alcance de la iluminación está directamente relacionada con la potencia del equipo, como lo anotamos para el caso, cuando los iluminadores se incorporan en las cámaras, cuanto mayor potencia tenga el iluminador externo, se aprovecha de mejor manera la capacidad de profundidad de video de la cámara. Importante anotar que a medida que el equipo aumenta su potencia, aumenta también el requerimiento de soporte de energía, incluso, su costo incrementa. 

Longitud de onda 

La longitud de onda de la iluminación IR varía dependiendo de las características del equipo elegido. Cuanto menor sea esta, más alcance tendrá. De este modo, y con el correcto equilibrio de las variables anteriores se pueden especificar los equipos adecuados para cada aplicación.  

Ventajas del uso de iluminadores IR externos

Aplicación de iluminador IR externo. Fuente: iluminarcinc.com

Los iluminadores externos presentan varias ventajas sobre los que se incorporan en las cámaras y estas son:

Mayor alcance y mejor campo visual

Aunque las cámaras con iluminadores IR integradas tienen distancias de cobertura que están en el rango de los 30 a 60 metros en la mayoría de los casos, existen algunas excepciones con mayores distancias, como es el caso de algunas cámaras tipo PTZ que pueden alcanzar 150 metros o más, pero para la iluminación de alcance amplio, requieren iluminadores independientes con los que se pueden lograr distancias de 300 metros o incluso más.

Pérdida de visualización y falsas alarmas por insectos 

Las cámaras con los iluminadores IR integrados pueden atraer insectos como arañas por el aumento de temperatura que estos generan y con el tiempo los insectos invaden la cámara atenuando la capacidad de visualización de la misma, incluso, son un factor importante de activaciones de falsas alarmas en especial con el uso de analíticas de video, aún cuando estas cuentan con las mejores y más robustas funciones de análisis. 

Desventajas del uso de unidades IR externas

Hay varias ventajas de los modelos IR integrados en comparación con los IR externos:

Mayor costo

Actualmente, la mayoría de las nuevas cámaras de fábrica ya incluyen IR integrados más eficientes y con funciones que permiten la optimización y calidad de imagen, lo que las convierte en una opción más económica que una cámara sin IR con iluminador adicional externo.

Mayor consumo de energía 

Las cámaras con iluminadores IR integrados generalmente operan con alimentación estándar POE 802.3af/at por medio de Ethernet. Los iluminadores externos por lo general requieren baja tensión, puertos adicionales de PoE, o incluso alimentación de red por separado.

Funciones avanzadas

Las cámaras IP de gama alta ofrecen IR inteligente o adaptativo y ajuste automático del ancho del haz. Normalmente estas funciones no es posible configurarlas o de integrarlas con los iluminadores IR externos.

Conclusión

La tecnología de luz infrarroja presenta ventajas indiscutibles en los sistemas de videovigilancia tanto los equipos que incorporan estos elementos como los que se implementan con equipos externos. Según cada aplicación tipo de proyecto, complejidad de la escena y las condiciones del sitio de instalación, incluyendo la iluminación natural y artificial, son las que determinarán en conjunto las especificaciones de luz IR requerida, la mejor imagen posible y minimizar las falsas alarmas.