Охрана помещения от несанкционированного проникновения является непростой задачей. Для ее облегчения существует широкий ассортимент устройств. В основу их работы заложены различные физические принципы. Помимо камер видеонаблюдения, можно найти магнитные, акустические, вибрационные датчики, детекторы разрушения и оптические системы, работающие в области видимого и инфракрасного света. Часть этих вариантов нецелесообразно использовать в небольших проектах. Другая часть служит для контроля целостности места установки, а движение на территории никак не фиксирует.
Для надежного обнаружения движения живых объектов (в частности людей) в небольших помещениях существует специальное решение. Им являются инфракрасные датчики движения, или PIR-датчики. Эти датчики замечают человека в кадре за счёт того, что его температура выше температуры окружающей среды. Чтобы фиксировать, что происходило на объекте создали комбинированное решение из камеры и PIR-датчика. После срабатывания, в таких камерах обычно инициируется запись видео с перемещениями нарушителя. Встроенный PIR-датчик, как заявляют производители, будет реагировать только на движение человека.
Распространённые программные детекторы движения начинают запись видео после любого изменения кадра, будь то идущий человек, мигающая лампа, шумы на изображении, или качающиеся деревья за окном. А специализированные алгоритмы детекции людей обычно очень чувствительны к месту расположения камеры и направлению объектива относительно идущего человека. Иногда к камере подключают внешние датчики тревоги (контроль вскрытия двери, разбивания окна). Но такой функционал часто излишен и только увеличивает сложность и стоимость проекта. Обычно клиенту достаточно просто фиксировать движение на объекте. Поэтому камеры с PIR-датчиком удобно использовать в качестве готовых универсальных решений. Либо в качестве камеры со встроенной сигнализацией, либо как ограничитель ложных срабатываний от движения неживых объектов.

Принцип работы PIR-датчика

В основе конструкции инфракрасного датчика движения лежат 2 чувствительных к ИК-излучению сенсора. Причем анализируемый спектр излучения соответствует тепловому излучению человеческого тела. Каждый сенсор формирует на своем выходе ток, пропорциональный средней температуре объектов перед ним. Два сенсора имеют одинаковый сигнал при работе в одинаковых условиях. Появление перед одним из них объекта с более высокой температурой закономерно влияет на значение тока с этого сенсора. Отличие же в токах формирует выходной сигнал самого детектора движения. Таким образом PIR-датчик срабатывает на движение человека.
Перемещения теплого объекта только перед одним сенсором никак не отразятся на показаниях датчика. Из-за этого получится анализировать только пересечение границ сенсоров и линии между двумя чувствительными элементами. Поэтому описанная реализация датчика движения не подходит для реальной эксплуатации. Чтобы обнаруживать движение на всей сцене используются линзы Френеля. Они фокусируют на сенсоре оптическое излучение из разных точек пространства. Тем самым создается множество “лучей” с которых на чувствительные сенсоры "снимается" температура. Благодаря определенной ориентации этих лучей любое движение теплого объекта в кадре будет фиксироваться датчиком движения.

Рисунок 1 Принцип работы PIR-датчика. Слева только два чувствительных сенсора, справа добавлена линза Френеля

У используемого физического процесса есть одна особенность. Медленно движущийся объект или объект, обладающий температурой окружающей среды, не вызовет срабатывания. Отсюда становится понятно, почему применение PIR-датчика на практике направлено на решение специфичной задачи – обнаружение движения теплого объекта. Насколько хорошо он с ней справится мы решили проверить в текущем тесте. А заодно и посмотреть на работу программного детектора движения в камере.

Что тестируем
В текущем тесте мы будем измерять базовые характеристики PIR-датчика движения:
- дальность обнаружения, как максимальное расстояние до объекта на котором детектор движения срабатывает безошибочно;
- угол обнаружения, как величину угла перед детектором в котором он фиксирует движение объекта;
- точность обнаружения, как отношение количества зафиксированных перемещений к реальному числу перемещений.

Что нам предоставили на тест
В результате в лаборатории оказались следующие образцы:
- BEWARD B12CRW
- Novicam PRO NC24FP
- Dahua DH-IPC-K35AP
Все предоставленные модели являются Cube-камерами. Это исполнение популярно для установки в офисах и иных небольших помещениях. Неожиданным для нас стало то, что на рынке мало камер с PIR-датчиком. И производители возможно не стремятся сильно расширять такими устройствами свой ассортимент.

Как станем это измерять?
Измерять характеристики мы будем при помощи специального перемещающегося излучателя, имитирующего тепловое излучение человека. Его скорость, размер и температура устанавливались для наибольшего соответствия реальной эксплуатации. Исходные условия тестов были близки к нормам, принимаемым при тестировании PIR-датчиков:
- скорость движения объекта 1,7 м/с;
- разница между температурой объекта и помещения 4°C;
- освещенность 500 лк;
- отключенная ИК-подсветка;
Оценим влияние на работу PIR-сенсора следующих изменений:
- уменьшения скорости движения объекта до 0,3 м/с;
- уменьшения разницы температур между объектом и окружающей средой до 2°C.
- отключения освещения в лаборатории;
- включения ИК-подсветки при отключенном освещении;

BEWARD B12CR
Предоставлена компанией НПП «Бевард»

​

Лидирует по значению дальности обнаружения на скорости 1,7 м/с. Также показывает наилучшую дальность обнаружения как при разнице температур 4°C, так и при 2°C.
Камера позволяет вести видеосъемку круглосуточно в реальном времени (25 кадр/с) с разрешением 1 Мпкс, благодаря сенсору день/ночь и встроенной ИК-подсветке с дальностью до 8 м. Производитель предлагает при покупке оснастить камеру объективом на выбор: 2.5/2.8/3.6/6/8/12/16 мм.
Камера оборудована динамиком и активным микрофоном. По словам производителя микрофон обладает акустической дальностью до 10 м и автоматической регулировкой усиления, что позволяет передавать звуки с минимальными искажениями.
В камере заявлены: расширенный динамический диапазон с цифровой обработкой сигнала (DWDR), цифровая система шумоподавления (2D/3DNR/SmartNR), поддержка ONVIF. Модель поддерживает двойное кодирование видеопотока в форматах Н.264/MJPEG. Отмечается, что IP-камера позволяет задавать разнообразные сценарии действия при наступлении тревожных событий: например, начать запись на карту памяти microSDHC или отправить уведомление на E-mail. 
Производитель подчеркивает, что существует исполнение камеры со встроенным Wi-Fi модулем - B12CRW.

Dahua DH-IPC-K35AP
Предоставлена компанией IPera (Айпера)

Продемонстрировала наибольшую дальность обнаружения при скорости объекта 0,3 м/с. Производитель отметил, что PIR-датчик предназначен для совместной работы с программным детектором движения. Программный детектор срабатывает на любое изменение изображения. А при включенном PIR-датчике, камера отсеивает срабатывания на движение холодного объекта (например при изменении освещения, движении листвы за окном и т.п.)
Миниатюрная IP видеокамера, по словам производителя, оснащена 1/3" 3 Мпкс CMOS-сенсором. Камера записывает видео с максимальным разрешением со скоростью до 20кадр/с, а начиная с 2 Мпкс со скоростью до 25кадр/c. В камере реализован фиксированный объектив 2,8 мм, предоставляющий заявленный горизонтальный угол обзора 100 град. Камера поддерживает видеокодеки H.264 и Motion JPEG. В модели присутствует ИК-подсветка с заявленной дальностью 10 м. Заявляется поддержка функций DWDR, 3DNR, и протокола ONVIF. В модели реализована поддержка Micro SD. В камере есть встроенные микрофон и динамик, а также тревожные вход и выход для подключения дополнительных охранных устройств. Питание камеры осуществляется как постоянным напряжением 12В, так и по технологии POE. Заявленный диапазон рабочих температур: -10…45°C.

Novicam PRO NC24FP
Предоставлена компанией NOVIcam

Обладает самым большим углом обнаружения PIR-датчика и углом обнаружения программного детектора движения. Величины измеренной дальности срабатывания очень близки к максимальному значению.
Производитель позиционирует свою камеру, как решение для видеонаблюдения в офисе, квартире, коттедже, магазине, павильоне. Компактная внутренняя IP видеокамера передает изображение Full HD со скоростью записи до 30 к/с. Модель оснащена 1/2.7” матрицей Progressive Scan CMOS. Камера, по словам производителя, оснащена всем необходимым, чтобы организовать систему видеонаблюдения: слотом для карт памяти MicroSD до 128 Гб, ИК-подсветкой до 10 м и механическим ИК-фильтром для работы ночью, встроенным микрофоном и динамиком для организации двухсторонней связи, тревожным входом и выходом для подключения датчиков. 
Производитель отмечает, что встроенный Wi-Fi модуль позволяет организовать беспроводное подключение к локальной сети или интернет. А поддержка технологии РоЕ позволит использовать один кабель для передачи питания и данных. Производитель подчеркивает, что камера поддерживает бесплатный облачный сервис P2P и стандарт ONVIF. В модели заявлены интеллектуальные функции ROI и VCA (обнаружение вторжения/пересечение линии). Заявляется диапазон рабочих температур -30..60°C.

Результаты испытаний

Таблица 1 Характеристики камер

Рисунок 2 Угол обнаружения

Угол обнаружения PIR-датчика определяется сектором перед камерой, в котором она безошибочно фиксирует движение. Чувствительность программного детектора может быть настроена таким образом, чтобы его угол обнаружения совпал с углом обзора камеры. Поэтому угол обнаружения программного детектора можно считать равным реальному углу обзора камеры. Средние угол обнаружения PIR-сенсоров и угол обзора камер оказались практически равны.

Рисунок 3 Изменение точности обнаружения с увеличением расстояния до объекта при: скорость движения 1,7 м/с; разность температур 4°C (больше-лучше)

До определенного расстояния PIR-датчик фиксирует движение объекта без ошибок. За пределами этого расстояния PIR-датчик может просто не зафиксировать движение. С увеличением расстояния до объекта растет и количество пропусков перемещений объекта. В итоге датчик полностью перестает реагировать на движение. Расстояние на котором это происходит несильно отличается от дальности обнаружения камер.

Рисунок 4 Дальность обнаружения при: разница температур 4°C (больше-лучше)

Дальность обнаружения при низкой скорости 0,3 м/с оказалась значительно меньше, чем при большой скорости 1,7 м/с. Вероятно это связано с тем, что изменения тока с чувствительного сенсора при медленном движении недостаточно для срабатывания детектора. А значит, чем быстрее в нашем тесте движется нарушитель, тем надежнее будет работать система обнаружения движения. Вполне предсказуемый результат.

Рисунок 5 Дальность обнаружения при: скорость объекта 1,7 м/с (больше-лучше)

Уменьшение разницы температур между объектом и окружающей средой с 4°C до 2°C приводит к закономерному снижению дальности обнаружения детектора. Но даже при разнице температур всего в 2°C детектор стабильно фиксирует движение. В большинстве случаев человек будет иметь существенно более высокую температуру, чем помещение

Таблица 2 Обнаруживает ли детектор движения перемещения в следующих условиях?

Изменение условий съемки в помещении привело к ожидаемым результатам. PIR-датчик стабильно обнаруживает движение теплого объекта в любых условиях. На холодный же объект реакция отсутствует, а значит PIR-датчик реагирует только на движение живого объекта. Что характерно – включение ИК-подсветки никак не повлияло на работу PIR-датчика. Хотя ИК-подсветка и PIR-датчик работают в инфракрасном спектре, диапазоны их рабочих длин волн сильно отличаются и не пересекаются. На работу PIR-датчика движения влияет только скорость, температура объекта и расстояние до него. Насколько хорошо PIR-датчик будет замечать объекты зависит от его чувствительности.
Программный детектор движения, в свою очередь, обнаруживает движение только если объект отчетливо виден на изображении. При этом стабильно фиксируются любые изменения в кадре. Причем, увеличивая чувствительность программного детектора, можно получить большую чем у PIR-датчика дальность срабатывания. Нам удалось добиться стабильной фиксации движения на расстоянии более 40 м. Стоит понимать, что дальнейшее увеличение чувствительности может привести и к появлению ложных срабатываний.

Заключение

Мы подтвердили, что PIR-датчик оптимально использовать именно для обнаружения движения человека. Специализированный датчик максимально точно реагирует на перемещение теплого объекта вплоть до пороговой дальности обнаружения. Эта дальность сравнима с размерами небольших помещений. Движение же холодного объекта полностью игнорируется.
Программный датчик фиксирует движение любых объектов. А вместе с тем обладает большей дальностью и более гибкими настройками чем PIR-датчик. Совместное использование двух этих способов детекции позволяет фиксировать движение теплого объекта с максимальной точностью.
В любом случае, инсталлятору стоит рассматривать использование встроенного в камеру PIR-датчика как один из вариантов простого и удобного решения из сферы видеофиксации и сигнализации.