‘”És monda Isten: Legyen világosság: és lőn világosság.
És látá Isten, hogy jó a világosság;
és elválasztá Isten a világosságot a setétségtől.
És nevezé Isten a világosságot nappalnak,
és a setétséget nevezé éjszakának:
és lőn este és lőn reggel, első nap.”

Míg a földi élet organikus szereplőinek a reggelek, nappalok, esték és éjszakák váltakozása a nagybetűs ÉLET nélkülözhetetlen feltétele, ez a videó megfigyelő kamerák szempontjából nem egészen így van. Na, jó, a reggelek meg az esték még csak elmennek, de az éjszaka az kifejezetten horror. A közös pont csak annyi, hogy fény nélkül nincs élet és fény nélkül nincs kamerakép sem.
Nem akarok nagyon tudományoskodni, de a cikk megértéséhez néhány alapfogalmat helyére kell tennünk. A fény olyan elektromágneses sugárzás, amelyet három fő jellemzővel írhatunk le: a hullámhossza, intenzitása (amplitúdó) és a rezgés iránya (polaritás). A különböző hullámhosszú fénysugarakat különböző színekként érzékeljük. Az emberek számára látható fény spektruma 400-800 nanométer közé esik. Ez a színskála a kék-zöld-sárga-narancs-vörös árnyalatit fedi le. A 400 nanométer alatti sugarakat ibolya, míg a 800 nm felettieket infravörös sugárzásnak nevezzük.

A szemünk egy olyan zseniális szerkezet, amelynek működését a kamerák is megpróbálják leutánozni. A szem színérzékelésének megértése, a látható színek meghatározása alapvető a modern színes képérzékelők tervezésében. Szemünk a különböző hullámhosszúságú fényeket, azaz a színeket mindössze négy elemi receptorral érzékeli és különbözteti meg. Az úgynevezett pálcikák 3 fajtája a rövidebb (kék), a közepes (zöld) és a hosszabb (vörös) hullámhosszra hangolódva bizsergetik agyunk látásért felelős szeletkéjét. A negyedik elem a csapocskák (szürke) csak a fény intenzitását érzékelik. Az idézőjelben megfogalmazott „egyszerűségük” ellenére egy ember körülbelül 16 millió színárnyalatot tud megkülönböztetni. Csakhogy a szemünk és az agyunk csal, és ezernyi apró trükköt alkalmaz, amit mi emberek természetesnek veszünk, hiszen születésünktől fogva hozzászoktunk. Valószínűleg kevesen tudják, hogy szemünk fejjel lefelé látja a világot! Tudományos tények bizonyítják, hogy a csecsemők – „természetes módon”- fejjel lefelé érzékelik a világot. Ennek oka, hogy a szemlencse, ugyanúgy, mint a kameránk optikája fejjel lefelé képezi a képet a szem retinájára. Későbbiekben viszont a „lusta” agyunk megfordítja a képet, mert rájön, hogy így kényelmesebben tudja vezérelni mozdulatainkat. A kameránál ezt a képforgatást az elektronika végzi, kívánságunk szerint 180 vagy akár 90 és 270 fokban is.
Az emberek által érzékelt színekkel egy nagyon nagy probléma van: mindenki kicsit másképp látja, hiába szedjük a fekete áfonya kivonatot (a reklám szerint). Hogy pontosan meg tudjuk mondani, hogy egy adott szín ugyanaz, mint egy másik, létre kellet hozni az „Átlagos emberi érzékelő” (Standard Observer) fogalmát. A Standard Observer több tízezer ember vizsgálatára alapozva meghatároz egy olyan színskálát, mely jól modellezi az átlagember színérzékelését, és amelyben minden szín matematikai pontossággal meghatározható. Az alap a CIE 1931 vagy CIE XYZ színskála (Color Space) színskálából, helyesebben inkább színtérből kiindulva számos továbbfejlesztett, bizonyos eszközökre adaptált színtér terjedt el. A CIE XYZ színskálában az X-Y-Z szemünkben található csapocskák érzékelését modellezik. Ez egy háromdimenziós színtér, amelynek kétdimenziós reprezentációját az alábbi ábra mutatja. Ebben a színskálában a harmadik dimenzió a színek intenzitása (Luminance).

Az ovális görbe szélén találhatók az eredeti mono (nem kevert) színek és hozzájuk tartozó hullámhosszak. A terület belsejében lévő színek, a kevert színek. Fontos tudnunk, hogy a különböző képi eszközök (kamerák, monitorok, projektorok, nyomtatók, stb.) csak a teljes színtér egy részének megjelenítésére képesek. Az adott eszköz által megjeleníthető színek tartományát általában az erre a diagramra rajzolt háromszög alakú terület jelöli.
A videó technikában jól ismert az RGB színtér. A három különböző alapszínű fényforrásból (RGB, azaz vörös-zöld- kék, minden egyéb szín kikeverhető. Ezen az alapelven működnek a monitorok, a televíziók illetve a projektorok. Ezt a színkeverési eljárást összeadó, „additívnak” nevezzük. Ha mindhárom fényforrás teljesen világít, akkor fehér, ha egyik sem, akkor fekete színt kapunk. Ez persze teljesen egyértelmű, de látni fogjuk, ha ezek nem fényforrások, hanem festékek, akkor már egészen másként működik a dolog. Erre még visszatérünk a képek nyomtatásának kapcsán.

Nézzünk meg egy RGB színteret! Látjuk, hogy ez is háromdimenziós színskála, nevezetesen egy kocka:

A három szín dimenzió mellett (vörös-zöld-kék) megjelenek ezeknek a színeknek a különböző világosságú (Luminance) alapszínei is. A három monokromatikus alapszín frekvenciája rögzítve van:

Vörös: 700 nm
Zöld: 546,1 nm
Kék: 435.8 nm

A digitális képi feldolgozásban a színeket három egymást követő számmal adják meg, ezt RGB hármasnak (RGB triplet) nevezik. A számok vagy százalékban vagy egész számként reprezentálják a három alapszín értékeit. Az általános 8 bites ábrázolásban, minden szín 0-255 értéket vehetett fel, azaz egy színt összesen 24 biten ábrázolunk. Ha minden alapszín 0 értéket mutat, akkor ez a fekete színt, ha pedig mindegyik 255, akkor ez a fehér színt jelenti. A megjeleníthető színek száma (256x256x256) azaz körülbelül16 millió. A professzionális feldolgozó eszközökben színenként már 16 bites vagy még nagyobb értékekkel is dolgoznak.
A színskálák részletesebb magyarázata messze túlmutatna e rövid cikk keretén, elégedjünk meg annyival, hogy most már rendelkezünk egy olyan modellel, mely matematikai pontossággal definiálja a színeket.

Visszatérve a kamerák képérzékelőihez, megállapíthatjuk, hogy azok alapvetően fekete-fehér képet adnak, avagy póriasan megfogalmazva: színvakok. A pixelek csak a beeső fotonok, azaz a fény mennyiségének mérésére alkalmasak, ugyanúgy, mint a szemükben a már említett pálcikák. Akkor hogyan jön létre mégis a színes kép? Hogyan tudjuk mérni a beeső fény frekvencia spektrumát és azt szétbontani RGB színkomponensekre? Ezt valósítja meg az érzékelő elé helyezett úgynevezett CFA (Color Filter Array) vagy ahogyan a szakzsargon nevezi, Bayer szűrő. A szűrő a képérzékelő minden egyes pixelét egy vörös, zöld vagy kék szűrővel fedi le, így ezek a pixelek már csak a megfelelő szín (RGB) intenzitásának mérésére lesznek alkalmasak.

Ha tudjuk, hogy melyik pixelt milyen színű szűrővel fedtük le, akkor a pixel világosság értékét a megfelelő szín világosságának feleltethetjük meg. Hogy nagyjából modellezni tudjuk a szem színérzékenységet a zöld pixelek száma dupla annyi, mint a vörös és kék pixeleké.

Az elrendezésben látható, hogy az első sor pixelfelépítése BGBGBG….a másodiké, pedig GRGRGR….és ez így folytatódik az egész érzékelő chip-en. A végleges színes képet a különböző pixelek interpolálásával, egy úgynevezett demozaik eljárás után kapjuk meg. Ez az eljárás teljesen független a képérzékelő típusától, tehát CCD és CMOS érzékelőkre egyaránt vonatkozik. A demozaik eljárást, más néven „debájerelést” általában a kamera processzora végzi. Olyan speciális színes kamerák esetében, mint az ipari (Machine Vision Camera) kamerák, ezt a feldolgozást elhagyhatják, amelyet később az adatok letöltése után egy számítógépen lehet elvégezni. Ebben az esetben a kameráról a nyers (RAW) adatok jönnek, amelyek viszont nagyon nagy, akár több száz Mbit/s sávszélességet igényelnek. A „debájerelés” algoritmusának finomsága, a képérzékelőről letöltött színi adatok súlyozása dönti el a kép lényeges paramétereit, mint színtelítettség, fehéregyensúly, világosság stb. Persze ezeken az értékeken később még módosíthatunk, de mivel bizonyos alapinformációk elvesznek a folyamat során, csak részleges beavatkozási lehetőségünk van.
A sajnálatos helyzet az, hogy a demozaik folyamat után kapott RGB színadatok átvitele is igen nagy sávszélességet igényelne, így a képi információkat tovább kell tömöríteni. Ennek egyik módja, ha az RGB színskálát kevesebb információval leírható, számítógépekkel könnyebben feldolgozható YUV színtérbe konvertáljuk, majd azt a szabványos algoritmusokkal, mint MJPEG, MPEG4 és H.264 tovább tömörítjük.
Pongyola YUV elnevezéssel azonos vagy egymástól kicsit eltérő színterekről beszélünk, ha Y’UV, YUV, YCbYCr, és még legalább 15 más hasonló rövidítést említünk… A közös bennük, hogy az YUV modell olyan színteret ír le, ahol a színeket az Y fényesség (Luma), és két szín (Chrominance) komponens írja le. Az YUV igazából az analóg rendszereknél használatos, míg az YCbYCr rendszer a digitális videó technikában legelterjedtebb rendszer. A szabványosított, matematikai képletek és algoritmusok segítségével az RGB és YUV rendszerű színterek oda-vissza egyszerűen konvertálhatók, de a konvertálások során a színi információk egy része elveszhet.
Az alábbi ábrán egy Y=0,5 fényesség értéknél értelmezet U-V színskála látható:

A színek megjelenítése a számítógépes monitorokon, LCD vagy plazmakijelzőkön úgy történik, hogy az egymás mellet elhelyezkedő RGB pixelek különböző intenzitása keveri ki a színeket. A képalkotás folyamatában részvevő két alapvető eszköznek, a kamerának és a megjelenítőnek is megfelelő színhűséggel kell rendelkezni ahhoz, hogy a látott végeredmény kielégítő legyen. Az eszközök színvisszaadási tartományát a különböző színtereken adják meg, és a különböző elvárásokat szabványokban rögzítik. A „Full HD” IP kamerák megjelenésével egyre több gyártó állítja, hogy kamerája „megfelel” az SMPTE (Society of Motion Picture and Television Engineers) HDTV szabványoknak, már ami a felbontást, képsebességet és a szín visszaadást illeti. A professzionális eszközök szín kalibrálását, beállítását ezeknek a szabványoknak megfelelően, speciális és drága műszerekkel lehet elvégezni. Azonban, számítógépes monitorunkon is –műszerek nélkül- elvégezhetjük az alapvető beállításokat (fényerő, kontraszt, színhőmérséklet..). Ezt a számítógépen, a monitoron megtalálható, vagy a videó kártyához tartozó egyszerűbb eszközökkel megtehetjük.

Nos, ha azt hisszük, hogy ezek után minden lényegeset tudunk a színekről, akkor bizony tévedünk. Ha a képünket nyomtatásban szeretnénk látni, akkor az eddig szépen megmagyarázott RGB színekből a nyomtató fehér papírján nem állítható elő színes kép!
A papíron megjelenő színeket visszavert fény formájában érzékeljük. Egy tárgyat akkor látunk fehérnek, ha minden színt visszaver, pirosnak, ha az elnyeli a zöld és kék színeket, zöldnek, ha elnyeli a piros és kék színeket, kéknek, ha elnyeli a piros és zöld színeket és feketének, ha az összes színt elnyeli.
Ha a fehér papíron összekeverjük az piros- zöld- kék festéket, akkor nem kapunk fekete színt. Ahhoz hogy fekete színt kapjunk, a festéknek el kell nyelnie a piros színt, meg zöldet, meg kéket is. No, itt már közel vagyunk a megoldáshoz.
Az alábbi ábrán két különböző alapszín keverése által elnyelt harmadik alapszínt foglalja össze:

A táblázatból látható például, hogy a kék és zöld szín papírra kenésével el tudjuk nyeletni a piros színeket és az is kiderül e két szín összekeverésével cián színt kapunk. Azaz a cián szín papírra kenésével is el tudjuk nyeletni a piros színeket, és így tovább….

Egyszerűen megfogalmazva, alapszíneket a hozzájuk tartozó komplementer színekkel (mint szűrőkkel) tudjuk elnyeletni. A pirosat a cián (C), zöldet a magenta (M) és kéket a sárga (Y) szűrővel.
Tehát, ha pirosra szeretnénk a papírunkat festeni, akkor a magenta és sárga színt kell összekevernünk. Ha zöldet, akkor a ciánt és a sárgát, és így tovább.
Ha az egészből csak annyit megértettünk, hogy a CMY színű festékekből minden színt kikeverhetünk a papíron, akkor máris sokat spórolhatunk a gyerekünknek szánt 24 színű vízfestékeken.

Annyit azért meg kell jegyezni, ezzel a keverési eljárással sem tudjuk a fekete színt olyan sötétre keverni, mint szeretnénk. Ezért a megfelelő árnyalat eléréséhez -és a tényleg fekete színhez- még a fekete színt is használják. Ez a CMYK színkeverési módszer, ahol „K” a feketét jelöli. Ha valaki megkérdezné, miért nem „B” mint „Black”, a válasz, hogy véletlenül se keverjük össze a „B” mint „Blue” azaz kék színnel.
A nyomtatóink akár tintasugaras, lézer vagy akár nyomdai profi, a CMYK színpatronokat, festékeket alkalmazzák.
Végezetül, bár igaz, hogy az említett három alapszínnel minden egyéb szín előállítható, de az is igaz, hogy ugyanez a szín nagyon sok egyéb színből is előállítható. Ezért ne lepődjünk meg, ha egy „hi-tech” képi megjelenítő berendezésben esetleg más és többféle színt is találunk.

Most hogy megismerkedtünk szemünk, a színes kamerák, monitorok, és nyomtatók működésnek alapvető elveivel, ne feledjük, hogy a képalkotás elengedhetetlen része a fény. Teljes sötétségben sem mi emberek, sem a kamerák nem látnak. A fény tehát a barátunk, de a túl sok fény nemcsak a szemünket zavarja, hanem a kamera képeken fehér beégéseket okoz. Mit tehetünk tehát a túl sok vagy túl kevés fénnyel?

A „túl sok” fény a modern kamerák esetében általában nem okoz problémát. Az automatikusan vezérelt DC írisz széles tartományok között szabályozza az érzékelőre eső fénymennyiséget és a kamera processzora akár 1/30.000 másodpercre is csökkenteni tudja az expozíciós időt. Persze, ha a kameránkat úgy szereltük fel, hogy a nap bele tud világítani akkor bizony baj lehet: a nap képe örökre beég az érzékelőbe, vagy az egyszerűen szétolvad.

Irányelvként megszívlelendő, hogy kültérre lehetőleg DC írisszel ellátott optikával rendelkező kamerát szereljünk. Tegyük ezt azért is, mert a kinti fényviszonyok nagyon szélsőségesek lehetnek az évszaktól, napszaktól és időjárástól függően. Míg sötét őszi éjszakán 0,1 lux, addig nyári déli napsütésben akár 10.000 lux fényerőt is mérhetünk.

A fénymennyiség még pontosabb szabályozására készülnek a legújabb P-íris optikák, amelyek precíz léptetőmotorokkal biztosítják az írisz legfinomabb mozgatását.
A P azaz Precíz íriszszabályozással még élesebb, jobb színhűségű felvételeket készíthetünk. A fényviszonyok változása komplex folyamat. Nem csak a fénymennyiség, hanem a megvilágítás iránya és a fény színhőmérséklete is állandóan változik. Ezért a kültéren működő kameráknál az expozíciós idő és a fehér egyensúly beállítását mindig bízzuk a kamera automatikájára. A manuálisan, fixre beállított érték egy bizonyos fényviszonynál szép képet fog adni, minden más esetben csapnivalót. Néhány gyártó kültérre is DC írisz nélküli kamerákat ajánl. Ezeknél fokozottan kell ügyelnünk, hogy felkelő vagy lemenő nap se süthessen a kamerába. Az ilyen manuálisan állítható írisszel rendelkező kameráknál az íriszt középállásba vagy annál kicsit szűkebbre célszerű állítani.

A „túl kevés” fény minden kamerának gondot okoz. A kamerák specifikációjában megadott minimális érzékenység gyakorlatilag semmit nem árul el a kamera valódi érzékenységéről. A nem ritkán látott 0.01 vagy 0.001 lux értéknél általában nem szerepel, hogy ezt milyen objektívnyílásnál (F-stop), milyen színhőmérsékletű fénynél (Color temperture) és milyen fényvisszaverő tulajdonságú (Reflection ratio) tárgyról illetve környezetben mérték. Így ezek az értékek a valóságban akár 100-szoros különbséget is mutathatnak. A fájdalmas tapasztalat az, hogy a kamerák 5-10 lux körül már kezdenek igen rossz minőségű színes képet szolgáltatni, és ha tehetik -mert ők ugye éjjel/nappali kamerák- akkor át is kapcsolnak éjszakai, azaz fekete-fehér módba.

Itt kell cáfolnom azt a teljesen elterjedt tévhitet, hogy az analóg kamerák érzékenyebbek, azaz a sötétben jobban látnak, mint az IP kamerák. Egy kamera érzékenysége nem attól függ, hogy analóg vagy IP, hanem kizárólag a beépített érzékelő típusától, méretétől, illetve a kamerában alkalmazott képjavító, zajszűrő algoritmusoktól. A mai IP kameráknak mind CCD, mind pedig CMOS érzékelős változata van. Tény hogy a kisebb felbontású CCD érzékelők nagyobb pixel mérettel (5-8 mikron) rendelkeznek, így fényérzékenységük jobb, mint a megapixeles, jóval kisebb pixelméretű (2-3 mikron) kameráké. Bár a CCD tényleg érzékenyebb, mint CMOS társaik, de a Full HD felbontásnál nagyobb érzékelők esetében szinte kizárólag CMOS technológiát használnak, a gyártási költségek racionalizálása miatt. Mindkét technológiának megvannak a gyakorlatban jól érzékelhető előnyei és hátrányai. Hogy melyiket válasszuk, az erősen függ a körülményektől és a követelményektől, de ez már egy másik cikk tárgya lehetne.
A gyártók mindenesetre nem adják fel a harcot a sötét oldallal. A „LightFinder”, „IQnightlight” vagy „Moonlight” címszavakkal fémjelzett technológiák a különböző gyártók, szerintem még gyerekcipőben járó- próbálkozásait takarják.
A jelenlegi technológiai színvonalon igazából két választásunk van: a megfigyelt terület megvilágítása, akár látható, akár infra fénnyel, vagy hőkamerák alkalmazása.
Ezeket a technológiákat egy későbbi cikkben részletesebben is megvizsgáljuk.

Összefoglalva a sötétséggel kapcsolatban nekem is sötét gondolatok jutnak eszembe. A csillagászok például mindent bevetnek a kósza fotonok rabul ejtésére és megörökítésre. Ezek a technológiák magukba foglalják a több méter átmérőjű csillagászati tüköroptikák használatától kezdve a mínusz 100 fok alá lehűtött CCD érzékelőkön keresztül a több száz vagy akár ezer kép egymásra illesztésével sikeresen láthatóvá tehető objektumok megfigyelését. Sajnos azonban úgy tűnik, ezek a trükkök a földi, állandó mozgásban lévő objektumoknál korlátozottan használhatók.
Addig is, amíg nem találunk megfelelőbb megoldást a sötétség leküzdésére, egyszerűen kapcsoljuk fel a villanyt…

2012. Czuprik Zoltán