Световые единицы

Свет – это физическое явление, интерпретируемое психологическими процессами в нашем мозге. И поэтому его сложнее оценивать или измерять, чем любой другой физический процесс. Чтобы проделать объективные измерения, необходимы некоторые предварительно заданные условия.

Одно из них – это полоса рассматриваемых частот излучения, обычно лежащая в пределах от 400 нм до 700 нм. Все частоты вносят свой вклад в световую энергию, излучаемую источником.

Для начала давайте рассмотрим различные типы источников света.

Обычно их делят на две основные группы:

– первичные источники (солнце, уличное освещение, лампы накаливания, ЭЛТ‑мониторы);

– вторичные источники (все объекты, которые не генерируют свет, а только отражают).

Для измерения количества света, излученного, например, лампой накаливания, и света, отраженного от объекта, мы применяем различные способы. И если мы анализируем свет, испускаемый источником во всех направлениях и в узком телесном угле, – то это совсем не одно и то же. Есть несколько причин того, почему мы используем различные единицы измерения света.

Наука, изучающая все эти аспекты, называется фотометрией, а соответствующие единицы измерения – фотометрическими единицами.

Различные ученые, в зависимости от своих взглядов, вводили различные единицы света. Поэтому возникают определенные трудности при попытке понять или описать характеристики телекамер. Но давайте все‑таки попробуем пролить свет на эти вопросы и объяснить, что есть что. Начнем в логическом порядке, то есть вначале рассмотрим источники света, затем распространение света в пространстве, падение на объект и, наконец, отражение.

Сила света (/) характеризует световую энергию первичного источника, излучающего во всех направлениях. Единица измерения силы света – кандела (кд). Одна кандела примерно равна количеству световой энергии, испускаемой обычной свечой. В 1948 г. появилось более точное определение канделы: кандела – это сила света, излучаемая черным телом, нагретым до температуры перехода платины из жидкого в твердое состояние.

Световой поток (F) – это сила света в некотором телесном угле. И, следовательно, единица светового потока получается делением силы света на 4π радиан (в сфере 4π = 12.56 стерадиан) и измеряется в люменах (лм). Один люмен – это световой поток, испускаемый источником с силой света в 1 кд внутри единичного телесного угла (угла в 1 стерадиан).

Поскольку ощущение яркости зависит от чувствительности человеческого глаза, то световой поток зависит также и от длины волны. Например, свет мощностью в 1 ватт на 555 нм (зеленый цвет) дает световой поток приблизительно равный 680 лм, а все другие длины волн с такой же силой света дают меньший световой поток (см. кривую спектральной чувствительности глаза). Поэтому бессмысленно выражать энергию света в ваттах, несмотря на то, что теоретически световая энергия, как и любой другой вид энергии, может быть выражена в ваттах.

Освещенность (Е) – это наиболее часто используемый в видеонаблюдении термин, особенно при описании характеристик минимальной освещенности камер. Освещенность очень похожа на яркость, за исключением того, что в этом случае имеются в виду объекты, являющиеся вторичными источниками света.

Итак, освещенность поверхности – это величина светового потока, приходящегося на единицу площади.

Если световой поток в 1 люмен падает на поверхность площадью в 1 м² (квадратный метр), он измеряется в люменах на квадратный метр или метр‑свечах, более известных под названием люкс (лк). Это означает, что если у нас есть сфера радиусом 1 метр и источник света с силой света в 1 канделу, расположенный внутри сферы, то освещенность на внутренней поверхности сферы будет равна 1лк. Математически это соотношение может быть записано следующим образом:

E = Flux/Area = F/A [лк] (1)

Поток F_по определению равен силе света, умноженной на телесный угол, то есть:

F = I∙ω [лм] (2)

Предполагая, что источник света является точечным, и, опираясь на формулы сферической тригонометрии, мы можем выразить ω через освещаемую площадь А и расстояние до источника d :

ω = A/d² [рад] (3)

Подставив (2) и (3) в (1), получаем:

E = I/d² [лк] (4)

Это означает, что освещенность перпендикулярной площадки обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника. Если же площадка расположена под некоторым углом к падающему свету, то мы можем оценить действительную поверхность, сделав проекцию на угол θ как на схеме на рис. 2.7. В этом случае формула (4) принимает вид:

E = I∙cos θ/d² [лк] (5)

Типичные уровни освещенности приведены на рисунке 2.8.

Рис. 2.8. Некоторые типичные уровни освещенности

Очень редко, в малых областях пространства и при очень сильных источниках света могут обеспечиваться уровни освещенности выше 100 000 лк (например, вблизи сильной импульсной лампы).

Для описания таких освещенностей иногда используются другие, более крупные единицы –фоты .

Один фот равен 10 000 лк.

В американской терминологии, где все еще широко используется квадратный фут вместо единиц СИ, освещенность выражается в канделах на квадратный фут, или фут‑свечах. Поскольку соотношение между квадратным метром и квадратным футом равно примерно 10 (или точнее 9.29), то довольно просто перевести люксы в фут‑свечи и наоборот. Если освещенность задана в фут‑свечах, достаточно разделить эту величину на 10, и вы получите приблизительное значение в люксах, а если значение задано в люксах, то, чтобы перевести его в фут‑свечи, умножьте его на 10.

Термин Яркость (L) характеризует свечение поверхности первичного или вторичного источника света. Поскольку свечение имеет субъективный подтекст, то в качестве объективного, научного термина используется понятие «яркость». Яркость зависит от силы света самой поверхности и от угла наблюдения, поэтому рассчитывается на единицу перпендикулярной направлению взгляда площадки. Существует всего несколько единиц яркости. Предпочитаемся в мире метрическая единица яркости – это нит. Один нит равен одной канделе на квадратный метр спроектированной площадки (I/A). Если для измерения светового потока источника вместо кандел использовать люмены, то яркость будет выражена в апостильбах (асб). Все становится несколько более сложным, если мы имеем дело с поверхностью, на которую световой поток падает под углом θ к нормали (или отражается); в этом случае световой поток прямо пропорционален cosθ. Тогда со всех направлений будет казаться, что поверхность имеет одинаковую яркость, потому что и отраженный свет, и спроектированная поверхность подчиняются одним и тем же тригонометрическим законам. Такой тип поверхности называется ламбертовским радиатором или рефлектором (в зависимости от того, является ли поверхность первичным или вторичным источником света) и обычно описывается как равномерно рассеивающая поверхность. Для измерения яркости в этом случае в метрическую систему была введена еще одна единица – ламберт. Эквивалентная американская единица – фут‑ламберт.

То, какова будет освещенность, воспринимаемая камерой, на самом деле зависит от силы света самого источника и от отражательной способности освещаемого объекта. Объект может быть черным или белым и, понятно, что это не одно и то же. Если объекты белые, то, естественно, при одном и том же количестве света мы сможем видеть больше. Поэтому, говоря об освещенности, необходимо ввести еще один фактор: коэффициент отражения, выраженный в процентах. Определение коэффициента отражения можно задать следующим простым соотношением:

р = отраженный от поверхности свет/падающий на поверхность свет = E/L [%] (6)

На практике эта величина меняется от очень низкого значения в 1 % для черного бархата, 32 % для обычной поверхности почвы до 93 % для чистого белого снега. Кожа человека европеоидной расы имеет коэффициент отражения от 19 до 35 %. Испытательная таблица CCTV Labs, которая напечатана на обложке этой книги, имеет коэффициент отражения около 60–70 %.

Этот фактор очень важен при определении минимальной освещенности камеры, так как при одинаковом уровне освещенности, но различных коэффициентах отражения, объекты будут иметь различную яркость, косвенно влияя на производительность камеры.