DE4228629A1

DE4228629A1 - Bildaufnahme- und Bildverarbeitungssystem zur nächtlichen Videoüberwachung

Info

Publication number: DE4228629A1
Application number: DE4228629A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr Scherbarth
Original assignee: Dornier GmbH
Current assignee: Senstar Stellar Corp
Priority date: 1992-08-28
Filing date: 1992-08-28
Publication date: 1994-03-10
Anticipated expiration: 2012-08-29
Also published as: DE4228629C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, durch welches die Bildqualität einer nächtlichen Videoüberwachung mit IR-Beleuchtung gegenüber dem Stand der Technik hinsichtlich der Qualität des Videobildes deutlich verbessert wird.

Es ist bekannt, zur nächtlichen Videoüberwachung das Überwachungs gelände durch Halbleiter-IR-Scheinwerfer auszuleuchten und mittels einer CCD-Videokamera mit möglichst hoher Empfindlichkeit im IR-Spektralbereich des Scheinwerfers zu betrachten.

Die Qualität des resultierenden Videobildes wird hierbei bei gegebener An ordnung durch die Empfindlichkeit und das Rauschverhalten der Kamera, das Videoobjektiv und durch die zur Verfügung stehende Lichtleistung des IR-Scheinwerfers bestimmt.

Mit den derzeit zur Verfügung stehenden Kameras, Objektiven und IR-Schein werfern ist für ein gerade noch auswertbares Bild eine Beleuchtung durch einen IR-Halbleiter-Scheinwerfer von ca. 50 W Anschlußleistung erforderlich (50 m Überwachungsstrecke). Für gut durchgezeichnete Bilder sind nach der zeitigem Stand Scheinwerferleistungen von ca. 200 W erforderlich, was er hebliche Investitions- und Betriebskosten für die IR-Beleuchtung bedingt.

Um bei unveränderter Szenenhelligkeit die Bildqualität einer Videoaufnahme zu erhöhen, wird nach dem Stand der Technik z. B. bei Videoaufnahmen in der Astronomie mit einer verlängerten Belichtungszeit gearbeitet. Dieses, prinzipiell auch im Bereich der Sicherheitstechnik denkbare Verfahren hat jedoch folgende Nachteile:

- Aufgrund der längeren Belichtungsdauer nimmt die Bewegungs schärfe bei der Aufnahme bewegter Objekte stark zu.
- Das Kamerasignal ist kein Normvideosignal mehr und kann nicht mehr mit Standardvideokomponenten verarbeitet werden.

Weiterhin ist eine Aufnahmetechnik bekannt, bei welcher IR-Scheinwerfer je weils während der Frametransfers der CCD-Kamera dunkelgetastet wird. Ziel dieses Aufnahmeverfahrens ist es, den Smear-Effekt während des Frame transfers zu reduzieren. Entsprechend dem Verhältnis von Frametransferzeit zu Belichtungszeit von etwa 1/200 ist hierbei prinzipiell bei gleicher Schein werferleistung auch eine Erhöhung der Bildausleuchtung möglich, welche mit ca. 0,5% jedoch unbedeutend ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Signal-Rauschverhältnis von Videoaufnahmen in der nächtlichen Überwachung mit IR-Beleuchtung bei gleichbleibender Scheinwerferanschlußleistung und Scheinwerfergeometrie zu erhöhen, wobei zur Signalübertragung weiterhin das Normvideosignal (CCIR) verwendet werden soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein aufeinander abgestimmtes System von CCD-Kamera, Halbleiter-IR-Scheinwerfer und Bild verarbeitung wie folgt verwendet wird:

- Der IR-Scheinwerfer wird synchron zur Bildfrequenz der Kamera gepulst betrieben derart, daß die insgesamt zur Verfügung stehende Abstrahl leistung in Pulsen so abgestrahlt wird, daß nur jedes n-te Bild oder Halb bild durch den Scheinwerfer ausgeleuchtet wird (n = 2, 3, . . . vorzugsweise n = 4).
- Die CCD-Kamera wird hinsichtlich ihrer Regelungstechnik so modifiziert, daß sie für die jeweils ausgeleuchteten Bilder richtig eingeregelt ist (Verstärkungs- und Schwarzwertregelung).
- Zur Betrachtung, Aufzeichnung oder Weiterverarbeitung des resultieren den Kamerasignals mit Standard-Video-Komponenten wird vor diesen Komponenten eine Bildverarbeitung mit folgenden Funktionen verwen det:
- a) Speicherung des jeweils letzten mit IR-Beleuchtungspuls aufgenommenen Bildes bzw. Halbbildes.
- b) Laufende Ausgabe des jeweils gespeicherten Bildes oder Halbbildes.
  Optional können folgende weitere Funktionen implementiert sein:
- c) Bestimmung des mittleren Untergrundbildes aus den ohne IR-Beleuchtung zwischen den einzelnen Pulsen des Schein werfers aufgenommenen Bildern.
- 2d) Subtraktion des Untergrundbildes aus c) von den jeweils gespeicherten Bildern aus a).
- e) Laufende Darstellung des Differenzbildes von d).

Durch die Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:

- Die zur Verfügung stehende Lichtleistung des Scheinwerfers X [W = J/s] wird nicht wie bei der bisherigen Technik zur Ausleuchtung von 50 Halb bildern/s, sondern nur zur Ausleuchtung von 50/n Halbbildern/s einge setzt. Hierdurch wird das ausgeleuchtete Halbbild statt mit X/50 J mit n_*(X/50) J ausgeleuchtet, das heißt mit einer n-fachen Lichtmenge und entsprechend besserem Signal-Rauschverhältnis.
- Bei Implementierung der Funktionen c) bis e) der Bildverarbeitung wird der nichtstatistische Anteil des thermischen Rauschens (fixed-pattern-noise) vollständig eliminiert.
- Die Bewegungsunschärfe im Bild bleibt unverändert bzw. kann gegebe nenfalls durch Verwenden von Pulsdauern < 20 ms reduziert werden.
- Standard-Video-Komponenten können weiter eingesetzt werden, für Test- oder Wartungszwecke ist auch eine Betrachtung des Kamera signals mit Standardvideomonitoren ohne vorgeschaltete Bildverarbei tung möglich, wobei sich jedoch ein stark flimmerndes Bild ergibt.
- Die Bildverarbeitung wird nur in geringer Stückzahl in der Sicherheitszen trale benötigt.

Als Nachteil des Verfahrens ist zu nennen, daß die Bildaufnahmefrequenz auf 50/n 1/s zurückgeht. Dieser Rückgang zugunsten einer besseren Bildqualität ist bis n = 4 . . 6 für die Überwachungszwecke jedoch tolerierbar.

Das Verfahren läßt sich beispielsweise wie folgt realisieren:

CCD-Kamera

Es wird eine Standard-CCD-Kamera verwendet, welche für IR-Betrieb auf eine feste Verstärkungs- und Schwarzwerteinstellung justiert wird. Soll mit Rege lung gearbeitet werden, kann eine mittels geeigneter Integrations-Torschal tungen modifizierte Kamera-Regelelektronik verwendet werden.

IR-Scheinwerfer

Als IR-Scheinwerfer können beispielsweise Halbleiter-IR-Scheinwerfer in marktüblicher Konstruktion verwendet werden, deren Stromregelschaltung durch eine geeignete Schaltung zur Erzeugung von Strompulsen ersetzt bzw. erweitert wird.

Bildverarbeitung

Die beschriebenen Funktionen der Bildverarbeitung können von einer Viel zahl von am Markt erhältlichen Bildverarbeitungskarten geleistet werden, als Beispiel sei die IC-40 Karte der Firma Eltex genannt.

Für eine kostengünstige Lösung könnten die Funktionen a), b) der Bildver arbeitung mittels der für die 100 Hz Fernsehertechnik entwickelten integrierten Schaltungen realisiert werden.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen beschriftete Diagramme und Darstellungen des erfin dungsgemäßen Systems.

Claims

1. System zur nächtlichen Videoüberwachung, dadurch gekennzeich net, daß

- zur Beleuchtung des zu überwachenden Objekts ein Halbleiter- IR-Scheinwerfer verwendet wird, welcher synchron zur Bildfre quenz der Kamera gepulst betrieben wird derart, daß die insge samt zur Verfügung stehende Abstrahlleistung in Pulsen so ab gestrahlt wird, daß nur jedes n-te Bild oder Halbbild durch den Scheinwerfer ausgeleuchtet wird (n = 2, 3, . . . vorzugsweise n=4);
- zur Aufnahme des Objektes eine Videokamera verwendet wird, welche hinsichtlich ihrer Regelungstechnik so eingestellt oder modifiziert ist, daß die jeweils ausgeleuchteten Bilder korrekt eingeregelt aufgenommen werden;
- zur Betrachtung, Aufzeichnung bzw. Weiterverarbeitung des re sultierenden Kamerasignals mit Standard-Video-Komponenten eine Bildverarbeitung vor diesen Komponenten eingesetzt wird, welche jeweils das letzte während des Beleuchtungspulses auf genommene Bild bzw. Halbbild speichert und kontinuierlich zur Weiterverarbeitung zur Verfügung stellt.

2. System zur nächtlichen Videoüberwachung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß zur Betrachtung, Aufzeichnung oder Weiterverarbeitung des resultierenden Kamerasignals mit Standard- Video-Komponenten eine Bildverarbeitung vor diesen Komponenten eingesetzt wird, welche

1.) das jeweils letzte während des Beleuchtungspulses aufgenom mene Bild oder Halbbild speichert;
2.) aus den jeweiligen ohne IR-Beleuchtung aufgenommenen Bildern bzw. Halbbildern durch Mittelwertbildung über mehrere Bilder ein mittleres Untergrundbild berechnet;
3.) die Differenz des Bildes aus 1.) minus dem Untergrundbild aus 2.) kontinuierlich zur Weiterverarbeitung zur Verfügung stellt.