Почему камера не видит лица ночью: свет, ИК-подсветка и WDR

Ночью камера работает с бюджетом света, который в тысячи раз меньше дневного. Сколько фотонов дойдёт до пикселя — определяют четыре множителя: освещённость сцены, светосила объектива, площадь пикселя матрицы и время выдержки. Разрешение в этой цепочке не участвует вообще: оно решает, на сколько частей разложен сигнал, но не сколько его пришло.

Когда сигнала мало, у камеры остаётся три способа получить «приемлемую» картинку, и каждый портит лицо:

1. Поднять усиление (gain). Растёт шум, и включается шумоподавление, которое усредняет соседние пиксели. Первыми исчезают ровно те мелкие перепады яркости, из которых складываются признаки лица: линия брови, форма носогубной складки, край радужки.
2. Удлинить выдержку. Каждое движение в кадре превращается в смаз. Расчёт по скорости шага приводим ниже.
3. Включить ИК-подсветку и уйти в чёрно-белый режим. Дальность появляется, а цвет одежды, оттенок кожи и волос исчезают.

Именно поэтому «взяли камеру подороже, а ночью всё равно каша» — типовая ситуация, а не брак. Камера отрабатывает физику. Вопрос выбора здесь ближе к разбору что важнее: мегапиксели, объектив, свет, WDR или аналитика, чем к сравнению строк «Мп» в коммерческих предложениях.

Освещённость — первый и самый дешёвый параметр для управления. Она измеряется в люксах (лк) и на реальных объектах ночью распределена крайне неравномерно: под фонарём у входа один порядок величин, в пяти метрах в стороне — уже другой. Прежде чем выбирать камеру, освещённость в точке контроля лица нужно измерить люксметром, а не оценивать на глаз. Глаз адаптируется, матрица нет.

Нормативная опора в Казахстане одна и конкретная: п. 68 Правил, утверждённых постановлением Правительства РК от 06.05.2021 № 305 (P2100000305), требует охранного освещения — освещённой полосы шириной 3–4 м с уровнем не менее 10 люкс. Это требование к периметру объекта, а не к качеству портрета, но для инженера оно ценно как ориентир: 10 люкс на полосе — тот уровень, при котором современная камера ещё может работать в цвете и с короткой выдержкой.

Практический вывод, который мы регулярно проговариваем на объектах: доработка освещения на входной группе почти всегда дешевле замены камер. Один светильник с правильным углом и цветовой температурой, направленный на лицо, а не в объектив, даёт больше, чем переход с 4 на 8 Мп.

Паспортная минимальная освещённость — самый ненадёжный параметр в спецификации камеры. Производитель указывает, при какой освещённости он считает изображение «приемлемым», но такие условия замера, как светосила объектива, выдержка, уровень сигнала, включён ли режим накопления кадров (sens-up), задаются по-разному и часто не раскрываются. В результате «0,001 лк» одного вендора и «0,01 лк» другого измерены в разных точках и напрямую несопоставимы.

Об этом прямо пишет и сам рынок: в whitepaper Axis Communications «Lightfinder» отмечено, что единой общепринятой методики измерения минимальной освещённости нет, поэтому производители используют разные методы и разные критерии приемлемого изображения. Там же приводится ориентир самой технологии: сохранение цветного изображения на уровне около 0,02 лк.

Стандартизация есть: это серия IEC 62676-5 «Video surveillance systems for use in security applications — Part 5: Data specifications and image quality performance for camera devices» (в редакции 2024 года часть 5-1 описывает методы испытаний качества изображения). Но стандарт добровольный, и в маркетинговой спецификации ссылка на него встречается редко.

Что с этим делать при выборе:

• Сравнивайте цифры только при одинаковых условиях замера, указанных в спецификации; если условий нет, цифру в сравнении не используйте.
• Требуйте у поставщика демо-запись, снятую ночью на вашем объекте, а не тестовый ролик вендора.
• Опирайтесь на нормативный порог как на фильтр «годен/не годен»: светочувствительность не хуже 0,01 лк — тех-минимум Приложения 2 к Правилам функционирования Национальной системы видеомониторинга (приказ Председателя КНБ РК от 27.10.2020 № 69-қе, V2000021693). Там же: разрешение не ниже 1920×1080, 25 кадров/с, битрейт не менее 5000 кбит/с, IP66, архив не менее 30 суток и автономность не менее 60 минут.

При одном и том же физическом размере матрицы рост разрешения уменьшает пиксель и ухудшает работу камеры в темноте. Это арифметика, которую можно проверить за минуту. Матрица 1/2,8″ имеет ширину около 5,6 мм. При 4 Мп по горизонтали укладывается 2688 пикселей, при 8 Мп — 3840.

• 4 Мп: 5600 мкм / 2688 = 2,08 мкм — площадь пикселя ≈ 4,34 мкм².
• 8 Мп: 5600 мкм / 3840 = 1,46 мкм — площадь пикселя ≈ 2,13 мкм².

Разница — примерно вдвое по площади, то есть вдвое меньше света на пиксель при прочих равных. Днём это незаметно, ночью — решающе. Обратный ход тоже считается: та же 4 Мп на матрице 1/1,8″ (ширина ≈ 7,2 мм) даёт пиксель 7200 / 2688 = 2,68 мкм, площадь ≈ 7,18 мкм² — в 1,65 раза больше, чем у 4 Мп на 1/2,8″ (расчёт ИСБ-Инжиниринг по геометрии матриц из нашей инженерной базы).

Второй множитель — светосила объектива. Относительное отверстие F1.2 против F2.0 даёт выигрыш по световому потоку в (2,0 / 1,2)² ≈ 2,8 раза. Это больше, чем даёт любой апгрейд по мегапикселям.

Отсюда и типичная переплата: 8-мегапиксельная камера покупается «с запасом», а ночью работает хуже четырёхмегапиксельной — тот самый случай, когда стоит заранее посчитать, где вы переплатите, взяв «решение с запасом».

ИК-подсветка решает задачу обнаружения и почти не решает задачу идентификации. В ночном режиме камера убирает ИК-отсекающий фильтр (механизм ICR), матрица начинает видеть ближний инфракрасный диапазон, и изображение становится чёрно-белым. Цвет одежды, оттенок волос и кожи, цвет автомобиля из описания приметы исчезают. Для протокола это ощутимая потеря: остаются геометрия и контуры.

Дальше работает физика подсветки:

• Закон обратных квадратов. При удвоении дистанции освещённость от ИК-прожектора падает вчетверо. Заявленная «дальность ИК 30 м» означает, что на 30 м объект будет обнаружен, а не опознан.
• Пересвет на близкой дистанции. Человек, подошедший вплотную к камере со встроенной подсветкой, получает выбеленное лицо: детали выгорают. Частично лечится функцией регулировки мощности подсветки по дистанции, но лучше — разнесением камеры и прожектора.
• Ретроотражение. Светоотражающие элементы на спецодежде, номерные знаки и мокрый асфальт возвращают ИК в объектив и сажают автоэкспозицию: камера «прижимает» яркость всего кадра, и лицо уходит в тень.
• Засветка от близких поверхностей. Козырёк, стена в 40 см от купольной камеры или сам купол-колпак отражают ИК обратно на матрицу, и кадр затуманивается. Это одна из самых частых ошибок монтажа, которую мы встречаем на объектах.
• Длина волны. Кремниевая матрица заметно чувствительнее к 850 нм, чем к 940 нм; «невидимые» 940-нанометровые прожекторы при равной мощности дают меньшую эффективную дальность. Выбор в пользу 940 нм оправдан там, где важна незаметность подсветки.

Если задача — идентификация, ИК-подсветка не должна быть единственным источником света в зоне контроля лица. Её место — обнаружение движения на подходах, а на входной группе нужен белый свет.

WDR (широкий динамический диапазон) нужен там, где в одном кадре одновременно есть яркий источник и тёмный объект, и это ровно ночная ситуация на входе и на въезде. Автоэкспозиция настраивается по яркому пятну, лицо на его фоне превращается в силуэт. Никакое разрешение силуэт не расшифрует: информация о лице просто не попала в кадр.

Технически «настоящий» WDR строится на нескольких экспозициях: камера снимает кадр с короткой и с длинной выдержкой и собирает композит, сохраняя детали и в светах, и в тенях (Axis Communications, whitepaper «Wide dynamic range — WDR solutions for forensic value»). Программные варианты (цифровой WDR, локальное повышение контраста) работают с одной экспозицией: они вытягивают гистограмму, но не добавляют информации там, где она уже потеряна.

Три ночные сцены, где WDR обязателен:

• Въездная группа. Фары автомобиля светят в объектив, и без многоэкспозиционного WDR водитель и номер уходят в засветку.
• Вход с лампой над дверью. Светильник над головой освещает макушку и оставляет лицо в тени; камера, установленная строго напротив источника, получает силуэт вместо портрета.
• Тамбур и переход «улица — помещение». Ночью перепад обратный дневному: внутри светло, снаружи темно. Камера, направленная на дверь изнутри, теряет всех, кто ещё не вошёл.

Отдельный эффект, о котором забывают при расчёте хранилища: ночной шум плохо сжимается кодеками H.264/H.265, и битрейт ночью растёт даже при неподвижной сцене. По нашему опыту эксплуатации это одна из причин, почему архив и хранение резко увеличивают цену системы видеонаблюдения — планировать объём по дневным замерам нельзя.

Статичный тест ночью почти всегда проходит успешно, а на записи реального прохода лицо размазано. Причина в выдержке: чтобы набрать сигнал, камера удлиняет время экспозиции, и за это время человек успевает сместиться. Смаз считается элементарно: путь = скорость × выдержка, а затем переводится в пиксели через плотность.

Примем спокойный шаг, около 1,4 м/с (примерно 5 км/ч), и плотность 250 пикс/м, то есть уровень идентификации:

Расчёт ИСБ-Инжиниринг по методике плотности пикселей DORI. Четырнадцать пикселей смаза сопоставимы с шириной глаза на портрете; информация о признаках лица при таком размытии уже потеряна в кадре, и постпроцессинг её не возвращает.

Поэтому для зоны идентификации выдержку ограничивают сверху (в наших проектах предел фиксируем на уровне 1/50 с и короче), а недостающий свет добирают освещением, светосилой и крупным пикселем, но не удлинением экспозиции. Камера, у которой ночная выдержка не ограничивается настройкой, для идентификации людей в движении не подходит.

Идентификация — это 250 пикселей на метр объекта. Плотность считается без коэффициентов: PPM = разрешение по горизонтали / ширина кадра. Обратная формула для проектирования: макс. ширина кадра = разрешение по горизонтали / требуемая плотность. Именно ширина кадра, а не дальность в метрах, определяет, читается лицо или нет.

Значения 50 / 150 / 250 пикс/м по типам зон закреплены Приложением 2 к Правилам функционирования НСВМ (приказ Председателя КНБ РК от 27.10.2020 № 69-қе). В норме РК используются только эти три уровня. Международная шкала DORI (IEC 62676-4) в редакции 2014 года задаёт обнаружение 25, наблюдение 62,5, узнавание 125 и идентификацию 250 пикс/м; в редакции 2025 года шкала расширена до семи уровней, где 250 пикс/м — Characterize («описать признаки»), а 500 — Validate («надёжное опознание»). Уровня 500 пикс/м в требованиях РК нет — это ориентир стандарта, а не норма.

Под ширину кадра подбирается объектив: f (мм) = ширина матрицы (мм) × дистанция (м) / ширина кадра (м). Для матрицы 1/2,8″ (5,6 мм), дистанции 15 м и кадра 10,75 м получаем 5,6 × 15 / 10,75 = 7,81 мм. С коэффициентом перекрытия 0,9 (запас около 10 %) рабочая ширина 9,68 м, и фокусное 5,6 × 15 / 9,68 = 8,68 мм — берём ближайший больший стандартный номинал.

Ночью мы закладываем дополнительный запас по плотности: шумоподавление съедает часть мелких деталей, поэтому зону контроля лица сужаем. Пример узкого кадра на входной группе: дистанция 6 м, ширина кадра 3 м, объектив 5,6 × 6 / 3 = 11,2 мм, плотность 2688 / 3 = 896 пикс/м. Такой запас днём выглядит избыточным, а ночью как раз удерживает картинку на рабочем уровне.

Если камера ставится именно для идентификации, вместе с плотностью нужно закрыть и правовой контур: записи лиц относятся к персональным данным, и об этом мы отдельно писали в разборе замечаний по персональным данным и видеозаписи лиц. Заодно стоит проверить, какие именно зоны должны быть закрыты видеонаблюдением — часть камер обычно можно перевести из режима идентификации в режим обнаружения и сэкономить.

Выбор начинается не с камеры, а с зоны: сначала задача, затем ширина кадра, затем свет, и только потом модель. Такой порядок исключает главную ошибку — покупку по мегапикселям. Ниже последовательность, которой мы придерживаемся в проектах.

1. Определите задачу для каждой точки. Обнаружение (50 пикс/м), узнавание (150) или идентификация (250). Идентификация нужна далеко не везде: обычно это входные группы, кассы, точки выдачи, въезд.
2. Посчитайте максимальную ширину кадра. По таблице выше: 4 Мп на 250 пикс/м — 10,75 м, и это потолок, а не рекомендация. Ночную зону контроля лица сужайте относительно этого значения.
3. Измерьте освещённость люксметром в точке лица — в рабочую ночь, при штатном включённом освещении, а не при дневном свете.
4. Доведите свет, если его мало. Белый свет на входной группе, направленный на лицо и не бьющий в объектив; ориентир охранного освещения периметра — полоса 3–4 м, не менее 10 люкс (п. 68 Правил по ПП РК № 305).
5. Выберите матрицу и объектив, а не мегапиксели. Крупный пиксель (1/1,8″ вместо 1/2,8″ при том же разрешении) и светосила F1.2–F1.6. Фокусное считайте по формуле, а не «на глаз».
6. Проверьте фильтр по нормативному минимуму. Светочувствительность не хуже 0,01 лк, разрешение от 1920×1080, 25 кадров/с, битрейт от 5000 кбит/с, IP66 — Приложение 2 к Правилам НСВМ.
7. Убедитесь, что есть многоэкспозиционный WDR для точек с контровым светом (въезд, вход с лампой, тамбур) и что предел выдержки настраивается.
8. Разнесите камеру и ИК-прожектор, если подсветка нужна; на зоне идентификации ИК — вспомогательный, а не основной источник.
9. Проведите ночную приёмку. Запись реального прохода человека в движении, а не статичного «стенда»: смотрим смаз, шум, засветку, читаемость признаков.
10. Пересчитайте архив по ночному битрейту. Ночной шум поднимает поток; при 5000 кбит/с одна камера даёт около 54 ГБ в сутки и порядка 1,62 ТБ за 30 суток.

Большинство ночных провалов не про оборудование, а про решения, принятые до монтажа. Ниже — повторяющиеся сценарии из нашей практики; каждый из них обнаруживается за один ночной выезд и в большинстве случаев исправляется без замены камер.

• Камера смотрит на дверь, а не на лицо. Человек входит спиной к свету и лицом к тени. Разворот на 30–40° и перенос точки контроля на два метра внутрь дают больше, чем новая камера.
• Одна камера на всю сцену. Пытаются одновременно закрыть обзор парковки и идентификацию на входе. Физически невозможно: широкий кадр — низкая плотность. Нужны две камеры с разными задачами.
• ИК как основной свет на входной группе. Ночью весь архив чёрно-белый, приметы по цвету одежды в протокол не попадают.
• Выдержка не ограничена. Камера сама уходит на длинную экспозицию ради «яркой» картинки, и все, кто идёт, а не стоит, размазаны.
• Приёмка проводилась днём. Самый дорогой промах: система принята, оплачена, а первое ночное происшествие показывает, что зона идентификации ночью не работает. Ночная приёмка должна быть в договоре отдельным пунктом.