تکنولوژی مادون قرمز در دوربین ها چگونه عمل می‌کند؟

ممکن است یک اتاق برای چشم انسان کاملاً تاریک باشد، اما دوربین همچنان چهره، حرکت و جزئیات محیط را ثبت کند. این اتفاق به معنای دیدن بدون نور نیست. بیشتر دوربین های دید در شب، خودشان نوری نامرئی به صحنه می تابانند و بازتاب آن را به تصویر تبدیل می کنند. این نور در محدوده مادون قرمز قرار دارد؛ بخشی از طیف الکترومغناطیسی که چشم آن را نمی بیند، اما حسگر دوربین توانایی دریافتش را دارد. همین سازوکار در دوربین های مداربسته، دوربین خودرو، دوربین شکار و بسیاری از دوربین های کوچک به کار می رود. بااین حال، اصطلاحاتی مانند دید در شب IR، فیلتر IR-Cut و تصویربرداری حرارتی به عملکرد یکسانی اشاره ندارند. برای شناخت دقیق فناوری مادون قرمز، ابتدا باید بدانیم دوربین چگونه از نوری نامرئی برای ساختن تصویر استفاده می کند.

نور مادون قرمز چیست؟

چشم انسان فقط بخش محدودی از طیف نور را تشخیص می دهد. مادون قرمز درست پس از انتهای قرمز طیف مرئی قرار می گیرد و طول موج بیشتری دارد. بخشی که بیشتر دوربین های دید در شب از آن استفاده می کنند، «مادون قرمز نزدیک» یا NIR نام دارد. حسگرهای تصویری CMOS و CCD، برخلاف چشم انسان، تا اندازه ای به این محدوده حساس اند. به همین دلیل، دوربین می تواند نوری را ثبت کند که برای ما قابل مشاهده نیست. چراغ های IR معمولاً اطراف لنز قرار می گیرند و بدون روشن کردن ظاهری اتاق، محیط را برای حسگر قابل مشاهده می کنند. در برخی مدل ها، به ویژه چراغ هایی که در طول موج های نزدیک تر به نور مرئی کار می کنند، ممکن است هاله قرمز بسیار کم رنگی دیده شود؛ بااین حال، نور اصلی مادون قرمز همچنان برای چشم قابل مشاهده نیست.

بیشتر بدانیم: تکنولوژی EXIR چیست؟ (مادون قرمز توسعه یافته)

تصویر مادون قرمز چگونه تشکیل می شود؟

عملکرد بیشتر دوربین های دید در شب فعال با کاهش نور محیط آغاز می شود. دوربین این تغییر را تشخیص می دهد، چراغ های مادون قرمز را روشن می کند و از حالت روز به حالت شب می رود. پرتوهای IR به افراد، دیوارها، خودروها و سایر اجسام برخورد می کنند. بخشی از این نور جذب می شود و بخش دیگری به سمت دوربین بازمی گردد. لنز نور بازتاب شده را روی حسگر متمرکز می کند و هر پیکسل، انرژی دریافتی را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. پردازنده تصویر نیز از مجموع این داده ها تصویری قابل نمایش می سازد.  بنابراین دوربین دید در شب در تاریکی مطلق هم به نور وابسته است؛ فقط منبع روشنایی آن برای چشم دیده نمی شود. اگر چراغ IR یا منبع مادون قرمز دیگری وجود نداشته باشد، یک دوربین معمولی حساس به NIR نیز نمی تواند صحنه کاملاً تاریک را ثبت کند. 

سطوح مختلف نور مادون قرمز را به یک اندازه بازتاب نمی دهند. پارچه، پوست، فلز، گیاهان و رنگ های مصنوعی ممکن است در تصویر شب روشن تر یا تیره تر از ظاهر واقعی خود دیده شوند. به همین دلیل، رنگ یک شیء را نمی توان از روی تصویر مادون قرمز تشخیص داد.

چراغ IR، حسگر و فیلتر IR-Cut چه نقشی دارند؟

چراغ IR وظیفه روشن کردن نامرئی محیط را بر عهده دارد. حسگر نور بازگشتی را ثبت می کند و لنز نیز آن را روی سطح حسگر متمرکز نگه می دارد. پردازنده در مرحله بعد، نوردهی، کنتراست و میزان نویز را تنظیم می کند تا تصویر قابل استفاده تری به دست آید. قطعه مهم دیگر، فیلتر IR-Cut است. حسگر دوربین در طول روز نیز بخشی از نور مادون قرمز را دریافت می کند. ورود این نور می تواند رنگ ها را غیرطبیعی نشان دهد؛ بنابراین فیلتر IR-Cut در حالت روز مقابل حسگر قرار می گیرد و مقدار زیادی از نور مادون قرمز را مسدود می کند. در بسیاری از دوربین های روز و شب، با تاریک شدن محیط این فیلتر به صورت مکانیکی کنار می رود تا حساسیت دوربین به نور مادون قرمز افزایش پیدا کند. صدای کلیک کوتاهی که گاهی هنگام تغییر نور محیط شنیده می شود، معمولاً مربوط به جابه جایی همین فیلتر است.

چرا تصویر دید در شب سیاه وسفید است؟

دوربین در روشنایی روز رنگ ها را با مقایسه اطلاعات کانال های قرمز، سبز و آبی تشخیص می دهد. نور مادون قرمز خارج از محدوده ای قرار دارد که این فیلترهای رنگی برای آن طراحی شده اند؛ در نتیجه، رنگ های ثبت شده در حالت IR دقیق و قابل اعتماد نیستند. به همین دلیل، دوربین معمولاً در حالت شب به تصویر تک رنگ سوئیچ می کند تا اطلاعات غیرقابل اعتماد رنگی کنار گذاشته شود و کنتراست و جزئیات صحنه بهتر حفظ شوند. تصویر سیاه وسفید معمولاً مرز اجسام، چهره و حرکت را در نور کم واضح تر نشان می دهد. پس سیاه وسفیدشدن تصویر نشانه ضعف یا خرابی دوربین نیست، بلکه بخشی از عملکرد طبیعی دید در شب مادون قرمز است.

بیشتر بدانیم: حسگرهای استارلایت ۲.۰ چطور تاریکی مطلق را به روز تبدیل می‌کنند؟

برد مادون قرمز واقعاً به چه معناست؟

در مشخصات بسیاری از دوربین ها عبارتی مانند «برد دید در شب ۲۰ یا ۳۰ متر» دیده می شود. این عدد معمولاً حداکثر محدوده ای را نشان می دهد که نور مادون قرمز می تواند پوشش دهد؛ نه فاصله ای که در تمام آن، جزئیات چهره یا پلاک الزاماً واضح ثبت می شود. قدرت چراغ های IR، فاصله سوژه، زاویه تابش، نورهای مزاحم و میزان بازتاب سطح، بر برد واقعی و کیفیت تصویر در فاصله های مختلف اثر می گذارند. جسمی با بازتاب کم ممکن است در فاصله ای کوتاه تر محو شود، در حالی که یک دیوار روشن یا پلاک خودرو نور بیشتری به سمت دوربین برمی گرداند. نزدیک بودن بیش از حد سوژه هم همیشه نتیجه بهتری ندارد. اگر صورت یا دیوار به چراغ های IR نزدیک باشد، بازتاب شدید می تواند آن قسمت را کاملاً سفید و بدون جزئیات ثبت کند. برخی دوربین ها با تنظیم هوشمند شدت مادون قرمز، این مشکل را کاهش می دهند. 

نصب دوربین پشت شیشه نیز روی عملکرد IR اثر می گذارد. نور چراغ های داخلی به شیشه برخورد می کند و دوباره به لنز برمی گردد؛ در نتیجه تصویر ممکن است مه آلود یا سفید شود. برای فیلم برداری شبانه از پشت پنجره، معمولاً باید IR داخلی خاموش شود و منبع نور مادون قرمز در سمت بیرونی شیشه قرار بگیرد.

تفاوت دوربین مادون قرمز و دوربین حرارتی چیست؟

دوربین دید در شب IR و دوربین حرارتی هر دو با بخشی از طیف مادون قرمز کار می کنند، اما اطلاعات متفاوتی ثبت می کنند. دوربین دید در شب فعال، نور مادون قرمز را به صحنه می تاباند و بازتاب آن را دریافت می کند. خروجی این روش شبیه تصویر یک دوربین معمولی است و در شرایط مناسب می تواند فرم چهره، لباس و اجسام را نشان دهد. دوربین حرارتی به چراغ IR نیاز ندارد. این دستگاه تابش حرارتی سطوح را ثبت می کند و تفاوت های دمایی صحنه را به درجات خاکستری یا رنگ های مصنوعی تبدیل می کند. دوربین حرارتی برای یافتن انسان، حیوان یا نقاط داغ در تاریکی مناسب است، اما معمولاً جزئیات چهره را مانند دوربین دید در شب ثبت نمی کند. بنابراین وجود واژه «مادون قرمز» در مشخصات یک دوربین، لزوماً به معنای حرارتی بودن آن نیست. عبارت هایی مانند NIR، IR LED و دید در شب معمولاً به تصویربرداری با نور بازتابی اشاره دارند، در حالی که Thermal به ثبت تابش گرمایی مربوط است.

چه عواملی کیفیت دید در شب را تعیین می کنند؟

کیفیت تصویر شب فقط به برد اعلام شده یا تعداد LEDها وابسته نیست. اندازه و حساسیت حسگر، کیفیت لنز، میزان گشودگی دیافراگم، پردازش تصویر و کنترل نوردهی نقش مهم تری در وضوح نهایی دارند. برای مثال، دوربینی با چراغ مادون قرمز قوی اما حسگر ضعیف، ممکن است تصویری روشن ولی پرنویز تولید کند. در مقابل، حسگر حساس تر با نور کمتر نیز جزئیات بیشتری ثبت می کند.  محل نصب هم بخشی از کیفیت نهایی است. دیوار روشن نزدیک لنز، زاویه نامناسب، گردوغبار، قطرات باران یا انعکاس پلاک می تواند نور را به سمت دوربین برگرداند و بخش هایی از تصویر را از بین ببرد. به همین دلیل، کیفیت دید در شب را نمی توان فقط از روی یک عدد در جدول مشخصات سنجید؛ نتیجه واقعی به هماهنگی سخت افزار با شرایط محیط بستگی دارد.