Что делает тепловизор

Как это работает?

Каждый предмет как одушевленный, так и неодушевленный, независимо от того перемещается он или находится в статическом положении, излучает электромагнитные волны, которые перекрывают достаточно широкий частотный диапазон, в том числе захватывают инфракрасный спектр. Излучение в таком спектре еще называется тепловым.

Его интенсивность зависит от температуры объекта и практически не меняется от степени освещения.
Тепловизор представляет собой прибор, способный не только фиксировать тепловое излучение объектов, но и визуализировать его в доступном для человеческого глаза виде. Для этого он комплектуется специальным объективом.

Линзы этого объектива отличаются уникальной способностью беспрепятственно пропускать тепловое излучение, в то время как обычное стекло задерживает ИК-лучи.  
 
С помощью системы линз инфракрасные волны позиционируются на специальную матрицу. Она представляет собой совокупность датчиков, способных реагировать на тепловые волны.

Информация в виде токовых посылок считывается процессором с матрицы и преобразуется в видеосигнал, выводимый на устройство отображения, которым может быть экран прибора или внешний монитор. Из-за разности температуры окружающей среды и объекта на дисплее получается контур изображения. В современных устройствах разные волны в зависимости от температуры отображаются разным цветом.

Для удобства пользователя поверх кадра может выводиться шкала, которая отображает соответствие цвета любой точки изображения значению абсолютной температуры наблюдаемого объекта. Предоставляется возможность также обозначать максимальное и минимальное значение температуры на изображении. Точность вычисления современных приборов составляет 0,05 градуса, поэтому картинка получается максимально реалистичной.

Со школьных уроков физики мы помним, что тепло излучают все без исключения тела, но делают они это с разной интенсивностью. С помощью тепловизора эту разницу можно документально зафиксировать, почувствовав себя немного специалистом лаборатории инфракрасной термографии, где измеряют и изучают температуру объектов при помощи оптических приборов.

Физиология человека позволяет отслеживать только довольно существенные (по меркам живого мира) колебания температуры при помощи нервных окончаний. Чувствительность кожных покровов теплокровных животных и особенно пресмыкающихся на порядок лучше, поэтому о присутствии другого живого существа они способны узнать задолго и вне зоны видимости.

Человеческий глаз способен различать электромагнитные волны в диапазоне примерно от 380 до 780 нанометров. Тепловая энергия, которую излучают физические тела, находится в инфракрасном спектре. Поскольку длина волны такого излучения превышает порог человеческой восприимчивости (видимого спектра), «увидеть» ИК-излучение человек может только при помощи термографии и приборов нужной чувствительности.

Современные тепловизоры работают почти как обычная DSLR-камера: у них тоже есть линзы, матрица и угол обзора (почти full-frame и crop). Отличаются, правда, чувствительные материалы и итоговый результат. К примеру, линзы тепловизоров чаще всего производят из германия/ его сплавов, кремния или покрываются редкими металлами.

Кстати, если у вас в шкафу завалялась старая камера, которой вы не пользуетесь, это отличный шанс подарить ей вторую жизнь, превратив в самодельный тепловизор. Чтобы сконструировать фильтр, вам понадобятся ПЗС-матрица и фотоплёнка. На выходе получите, конечно, не профессиональный прибор, но для наглядности детям и забавы вам – самое то.

Основным элементом тепловизионных приборов являются болометры – датчики с поглотителем (чувствительным элементом). Именно болометры нагреваются и подают сигнал электронике, а та, в свою очередь, визуализирует полученную информацию. В зависимости от качества комплектующих тепловизоры способны улавливать температурную разницу вплоть до сотых долей градуса. С таким прибором вы сможете увидеть даже капли воска на полу или ещё тёплые следы человека или животного.

Физика тепловидения

И тепловое излучение, и видимый свет, являются частью электромагнитного спектра. И в этом смысле физический принцип работы тепловизионных камер и видеокамер ничем не отличается – излучение фиксируется чувствительными элементами матрицы, либо болометра, затем превращается в электрический сигнал и далее обрабатывается процессором.

видеокамера воспринимает свет отраженный от объекта наблюдения

Видеокамера — это устройство, которое формирует изображение посредством приёма и обработки отраженного от объектов света (электромагнитного излучения видимого спектра). Основным элементом видеокамеры является светочувствительная матрица или фотоматрица.

тепловизор воспринимает собственное тепловое излучение объекта

Тепловизионная камера (тепловизор) представляет собой устройство, которое формирует изображение посредством приёма и обработки собственного теплового (инфракрасного) излучения объектов. Основным элементом тепловизора является детектор теплового излучения – болометр.

Что делает тепловизор

Для понимания на сколько отличаются диапазоны длин волн, в которых работают видеокамера и тепловизор обратимся к спектру электромагнитного излучения.

В приведенном спектре наглядно показано, что диапазон видимого спектра излучения значительно отстоит от инфракрасного диапазона, в котором работает тепловизор. И существенная особенность тепловизора состоит в том, что для регистрации окружающего мира ему не нужно никакое освещение: если обычная камера принимает отражённый от предметов свет (дневной, искусственный, инфракрасный), то тепловизор работает с собственным тепловым (инфракрасным) излучением предметов и видит их в полной темноте.

Обратить внимание

Не нужно путать способность видеокамер фиксировать излучение в ближнем ИК-диапазоне (850-950 нм), со способность тепловизоров работать в средним и дальнем ИК-диапазонах! Ближний ИК-диапазон это по-прежнему отраженное от объектов излучение, которое посылает на них ИК-прожектор, неважно, встроен он в саму камеру или представляет собой отдельное устройство (об этом мы говорили в видеоролике). Поскольку мощность источника подсветки всегда ограничена, дальность её также будет ограничена, и довольно сильно, в сравнении с дальностью восприятия матрицей тепловизора собственного теплового излучения объекта.   

Инфракрасный спектр шкалы электромагнитных излучений располагается на участке длин волн приблизительно от 700 нанометров до 1000 микрометров. В зависимости от подходов и технических областей применения этот диапазон делят на несколько поддиапазонов, наиболее распространённое деление отражено на рисунке в начале статьи и представлено в таблице

Название Длина волны, мкм

Ближний инфракрасный диапазон

0.75–1.4

Короткий инфракрасный диапазон

1.4–3


Средний инфракрасный диапазон

3–8

Длинный инфракрасный диапазон

8–15

Дальний инфракрасный диапазон

15–1000

Для сферы наблюдений больший интерес представляют два поддиапазона – средний и длинный.

Вызвано это следующими обстоятельствами. Любой объект с температурой выше -273°C испускает электромагнитное излучение. Чем выше температура, тем меньше длина волны. Для предметов, близких к температуре окружающей среды длины волн в максимумах теплового излучения приходятся на средней и, в большей степени, на длинный диапазон. Например, тело человека при нормальной температуре имеет наибольшую энергию излучения на частоте около 10 мкм.

Излучение тела человека в диапазоне 8-12мкм

Тело человека при нормальной температуре имеет наибольшую энергию излучения на частоте около 10 мкм.

Ещё один параметр, влияющий на диапазон работы тепловизора – так называемые окна прозрачности атмосферы. Это те участки инфракрасного спектра, на длинах волн которых тепловое излучение поглощается в меньшей степени. Для состава земной атмосферы их два – 3-5 мкм и 8-12 мкм (указаны приближённые значения). Соответственно, тепловизионные камеры, в основном, имеют матрицы, чувствительные в данных диапазонах.

Обратить внимание

Для охранного видеонаблюдения более интересен второй диапазон, вследствие того, что на шкале наиболее актуальных температур, от -50°C до 50°C, тепловое излучение объектов, в том числе и человека, в основном соответствует длинам волн 8-12 мкм.

Тепловизионные камеры различаются видами исполнения и конструктивом. Одно из серьёзных разделений – охлаждаемая, либо неохлаждаемая фотоприёмная матрица.

В охлаждаемых тепловизорах матрица помещена в герметичный вакуумный корпус с криогенной установкой. Чувствительность таких матриц очень высока, вплоть до регистрации единичных фотонов, и если бы они не охлаждались, то собственное излучение матрицы и компонентов тепловизора забивало бы полезный сигнал.

1.png

Недостатком тепловизоров с охлаждаемыми матрицами является ограниченный ресурс работы, необходимость обслуживания и высокая стоимость. Тепловизоры на основе охлаждаемых болометров широко применяются в научных исследованиях, например, астрономии.

Тепловизионные камеры, выполненные на основе неохлаждаемых матриц, отличаются более компактными размерами, не превышающими габариты обычной уличной IP-камеры в защитном кожухе, и значительно меньшей стоимостью: сотни тысяч рублей против сотен тысяч долларов у охлаждаемых. Неохлаждаемая матрица обладает меньшей чувствительностью, по сравнению с охлаждаемой.

Обратить внимание

В видеонаблюдении более востребованным представляется применение тепловизоров с неохлаждаемыми матрицами, т.к. их технических характеристик вполне достаточно для решения большинства соответствующих задач охранного наблюдения, а компактность и меньшая стоимость становятся решающим фактором.

Чаще всего под чувствительностью тепловизора подразумевается параметр, который носит название NETD (эквивалентная шуму разность температур), или, если упрощённо, шаг отличия фиксируемой температуры объекта от температуры фона. Измеряется она в милликельвинах (мК). У современных тепловизоров, даже с неохлаждаемыми матрицами, данная величина равна сотым долям градуса.

Поскольку градус Кельвина как единица измерения фактически равен градусу Цельсия, но с другим началом шкалы, значение параметра NETD, скажем, в 50 мК будет означать, что разрешающая температурная способность тепловизора равна 0,05°C. Таким образом, при отличии температуры движущейся цели от температуры фона на пять сотых градуса, тепловизор обеспечит возможность определить эти отличия и зафиксировать цель.

Однако, стоит принять во внимание, что величина NETD бывает неодинакова в разных участках температурного диапазона. Так, если для конкретной модели указана величина 50 мК, то она может быть верна, например, лишь для температур от 0°C до 30°C, для остального диапазона NETD будет хуже. Производители не всегда указывают эти данные.

Обратить внимание

Как таковая чувствительность не несет в себе полезной информации для проектирования систем видеонаблюдения, по причине того, что решаемые задачи связаны с работой детектора, для которого контраст в 0,05°C слишком малая величина. Для детектора важна совокупность изменений – контраст движение объекта.

Предлагаем ознакомиться  Выкорчевывание деревьев — как избавиться от корней деревьев

Решаемые задачи мы разберем подробно в этой статье, но прежде стоит указать еще о двух моментах: калиброванные и некалиброванные матрицы и объективы для тепловизоров.

Существуют тепловизионные камеры, которые не просто фиксируют разницу температур объектов, но способны определять их точную температуру. Матрицы таких камер откалиброваны по некоторому температурному эталону и позволяют производить измерение даже в отдельной точке наблюдаемого объекта.

Контроль промышленных объектов с использованием калиброванной тепловизионной камеры

Тепловизоры с калиброванными матрицами позволяют фиксировать абсолютные значения температуры наблюдаемых объектов и сигнализировать о тревогах при ее понижении или повышении вне заданного диапазона (перегрев, либо недопустимое охлаждение).

Применение таких тепловизоров распространено в сферах, где необходим температурный контроль, например, за состоянием промышленного оборудования.

В системах видеонаблюдения калиброванные тепловизоры используются не часто. Основное применение – контроль технологического оборудования и оповещение оператора о перегревах или переохлаждениях. Известны попытки использования калиброванного тепловизора для выявления лиц с повышенной температурой на международных пунктах пропуска в период эпидемий. На сколько они успешны судить сложно, однако повсеместного внедрения данные системы не нашли.

Основная задача решаемая любой системой видеонаблюдения – предотвращение проникновения, фиксация фактов проникновения и реагирование на вторжение. В связи с этим рассматривать применение калиброванных тепловизоров в этой статье мы не станем. Оставим этот момент для будущих материалах о технологическом видеонаблюдении.

Разрешение матрицы

В системах безопасности мы привыкли оперировать значениями разрешения матриц в несколько мегапикселей. В тепловизорах типовое разрешение – 320х240, а разрешение передовых матриц составляет 1280х1024. Кажется, что этого недостаточно. Но для каких задач? Об этом мы поговорим далее в статье.

Разрешение тепловизионной матрицы

Тепловизионные матрицы не обладают высоким разрешением. причиной этому являются как технологические ограничения и соответственно высокая стоимость изготовления, так и отсутствие потребности в сверхвысоком разрешении.

Обратить внимание

Для тепловизионного наблюдения не требуется высокое разрешение изображения. Значения 320х240 являются типовыми, а передовые образцы обладают разрешением 1280х1024. Этих значений достаточно для большинства задач.

Отличить тепловизор от обычной камеры по внешнему виду практически невозможно. Тепловизоры выпускаются в тех же форм-факторах. Однако есть признак, по которому знающий человек всегда отличит тепловизор – объектив.

Что делает тепловизор

Объектив обычной камеры выпускается из прозрачного для света материала – стекла или пластика. В диапазонах, в которых работает тепловизор, стекло и пластик не пропускают тепловое излучение объектов. Для изготовления объективов тепловизионных камер используется германий, имеющий прозрачность для диапазона 1,8–23 мкм. Соответственно, он отлично подходит для нужного нам диапазона 8-12 мкм.

Немного истории

Считается, что инфракрасное излучение открыл английский астроном Уильям Гершель. Заинтересовавшись разными цветами и свойствами светофильтров для телескопов, Гершель провёл опыт. Он пропустив солнечный луч через стеклянную призму, а после термометром измерил температуру полученных «цветов». Чем ближе к красному цвету, тем выше становилась температура, и учёный решил проверить и невидимую часть спектра. Гипотеза подтвердилась: температура продолжила расти.

Гершель стал первым среди многих, и учёные по всему миру стали изучать тепловое излучение и конструировать приборы для его визуализации. Так появились термобатарея, эвапорограф и тот самый болометр, о котором мы рассказали выше.

Первые привычные нам тепловизоры появились ещё в начале прошлого столетия, но настоящий прорыв в этой области произошёл в середине XX века в период войны. Как это чаще всего и случается, опробованные военными технологии со временем перекочевали в промышленность и строительство, а после стали даже использоваться в личном хозяйстве. Вот о сферах современного применения тепловизоров сейчас и поговорим.

Целевые задачи тепловизоров в видеонаблюдении

Познакомившись со всеми особенностями тепловизоров и физическими принципами тепловизионного наблюдения можно перейти к описанию задач, которые решаются с использованием данного оборудования в системах безопасности.

Принцип получения изображения тепловизионной камерой определяет специфику ее использования в сфере безопасности. Выделим основные задачи, для которых имеет смысл использовать камеры данного типа:

  • обнаружение в отсутствии какого бы то ни было освещения
    любой тепловизор, вне зависимости от конструктивных особенностей, может обнаруживать объекты в абсолютной темноте. Это позволяет обеспечить как скрытое наблюдение за объектами, так и экономить на дополнительном освещении на периметре. Сделаем важную оговорку: фиксация объектов в темноте возможна, если температура предмета отличается от температуры фона, на котором находится предмет. К этому обстоятельству мы ещё вернёмся;

  • контроль за обширными пространствами на дальних подступах к объекту
    для фиксирования движения объекта, допустим, человека, достаточно получения контрастного изображения размером всего в несколько пикселей, теоретически расстояние детектирования может быть весьма большим, до нескольких километров. Эта особенность позволяет обеспечить качественное обнаружение целей на дальних подступах к объекту защиты, в т.ч. на обширных пространствах: акватория, открытое поле, горы и т.п.;

  • работа в сложных метеоусловиях
    тепловизор «видит» сквозь туман, снег и дождь. Дальность обнаружения целей в этом случае падает, иногда в несколько раз, но это не идет ни в какое сравнение с тем, что обычная камера практически полностью перестает видеть даже в условиях легкого тумана;

  • противодействие саботажу
    представим себе ситуацию, что злоумышленники хотят лишить «глаз» охрану объекта и направили пучок яркого света в обычную камеру. Камера будет засвечена, охранник конечно это заметит, но что происходить в наблюдаемой области понять будет невозможно – сколько злоумышленников, как они вооружены, что они делают. Такая ситуация с тепловизором не произойдет – ослепить его невозможно.

Тепловизор – уникальное решение, не имеющее альтернатив

Главное преимущество применения тепловизора можно сформулировать следующим образом: обнаружение объектов на большом расстоянии в темноте в отсутствии источников искусственного освещения, в т.ч. в сложных метеоусловиях.

Заменить тепловизор в определенного рода задачах может разве что радиолокатор. И такие проекты тоже есть. Однако проблема радиолокатора в том, что он не может обеспечить приемлемое визуальное представление объекта.

Разрешение тепловизионной матрицы

Изображение, получаемое с тепловизора хоть и отдаленно, но все-таки похоже на то, что мы получаем с обычной камеры.

Как работает тепловизор?

Решаемые тепловизором задачи кажутся фантастическими! Это именно то, что нужно в системах безопасности. Высокая стоимость тепловизора может с лихвой окупиться за счет экономии на количестве устанавливаемого оборудования, работах по установке, электропитании осветителей. Это может сподвигнуть проектировщика системы видеонаблюдения к тому, чтобы заменить обычные камеры на периметре тепловизорами.

В связи с этим важно сказать об ограничениях применения тепловизора тепловизионных камер.

Сферы применения

Военное дело

Как водится, инновационные технологии первым делом появляются у военных. Тепловизор для военных – это стратегический ресурс и тактическое преимущество. В условиях затруднённой или нулевой видимости (ночью, в тумане, в дыму) ПНВ (приборы ночного видения) бессильны, а вот тепловизоры работают исправно и помогают увидеть противника.

В зависимости от конкретного способа применения военные тепловизоры могут выпускаться в биноклей, монокуляров, прицелов для оружия или вообще объединяться в единую систему с ПНВ. К качеству вопросов не возникнет, а вот о потребительской доступности, конечно, речи не идёт – цена таких устройств и их комплексов начинается с пары сотен тысяч и поднимается существенно выше пары миллионов рублей.

Медицина

Изменение температуры тела или конкретных органов – первый признак воспалительных процессов и патогенных изменений, так что неудивительно, что и в медицине тепловизоры нашли своё применение. Тем более что к тепловизионному исследованию не нужно как-то специально готовить ни пациента, ни оборудование, да и противопоказаний нет – сплошные плюсы.

Использование тепловизоров эффективно для обнаружения новообразований (кист, опухолей), диагностирования внутренних органов, кожи и опорно-двигательного аппарата, а также оценки действия противовоспалительных и сосудосуживающих лекарств. Стоят такие специализированные приборы поменьше военных, но тоже немало – в среднем около 600 тысяч рублей.

Любопытный факт: если в надписи на сигаретных пачках и даже предупреждения врачей люди верят мало, то вот термограмма может оказаться более чем наглядной. На ней отлично видно, насколько снижается температура тканей ротовой полости курильщика из-за нарушения кровообращения – посмотрите сами и убедитесь, какой на самом деле «цвет» лица у курящих людей.

Производство

Тепловизоры незаменимы на производстве, поскольку представляют собой самые эффективные приборы неразрушающего контроля, а значит, помогают проверить оборудование и здания на предмет наличия утечек или трещин без необходимости остановки или демонтажа.

Обследование тепловизором людей

На предприятии любой такой дефект может обернуться не только производственной проблемой (скажем, несоблюдением условий хранения и порчей продуктов в холодном цеху), но и опасностью для сотрудников. Тепловизоры для производств, как правило, представляют собой эдакую рукоятку заправочного пистолета. С технической точки зрения они характеризуются небольшой дальностью, но очень высоким качеством изображения и широким диапазоном распознаваемых температур. С ценами тут всё сложнее и разнообразнее: в зависимости от конкретных нужд, стоить промышленные тепловизоры могут десятки или сотни тысяч рублей.

Когда нужно оперативно проверить большие территории в поисках людей или же найти очаг возгорания, скажем, лесного пожара, применяется аэросъёмка с использованием тепловизионного оборудования. Как правило, их крепят к беспилотникам, но есть и уже «готовые» решения, такие как Parrot Bebop-Pro Thermal.

Человеческий глаз не в состоянии «заглянуть» за стены горящего здания и клубы дыма, а вот тепловизор покажет, где именно находится человек и как к нему пройти. По этой причине тепловизионное оборудование стоит на вооружении МЧС и других спасательных спецслужб, правоохранительных органов и даже ЧОП-ов.

Не обязательно дожидаться поломки или везти автомобиль на техосмотр, чтобы проверить стёкла, климат-контроль, кондииционер и салон на герметичность. С портативным тепловизором вы сможете вовремя выявить проблему с электроцепями, в ходовой части или системе отвода выхлопных газов. Более того, поняв, что что-то не так с двигателем, вы быстро выясните, где именно – в свечах, катушках зажигания, клапанах цилиндров, электропроводке, сальниках.

Предлагаем ознакомиться  Самодельная зернодробилка своими руками: чертежи, размеры

Кстати, некоторые мастодонты зарубежного автопрома додумались использовать тепловизоры в качестве ПНВ: прибор устанавливается под решётку радиатора, передаёт картинку на дисплей в салон и помогает не сбить в темноте животное или человека. К примеру, BMW уже начали выпускать машины с технологией Night Visio.

Охота и туризм

Огромную (совершенно неудивительно) популярность тепловизоры приобрели среди охотников. Если ПНВ выручит только при наличии хотя бы какого-то света – хотя бы лунного, – то тепловизоры работают безотказно в любых условиях. Найти можно не только самого зверя, но и его помёт, тёплые следы и капли крови.

Охотничьи тепловизоры, как правило, либо портативные, чтобы не сильно оттягивали карман и не занимали руки, либо встроены в прицел. Распознать теплокровное существо получится примерно с 500 метров (чем профессиональнее тепловизор, тем больше эта цифра), качество картинки зависит от комплектующих конкретного прибора.

Если вы собираетесь не стрелять или ловить кого-то, а просто в поход в семьёй или друзьями, тепловизор тоже станет хорошим подспорьем. Согласитесь, гораздо проще успокаивать жену и детей, когда вы знаете, что на самом деле шуршит за палаткой. Да и днём отставших членов группы найти проще.

Искусство

Возможно, самый неожиданный пункт нашего рассказа. Термографическое исследование старых картин покажет их состояние, а в случае с древними фресками поможет обнаружить трещины (существующие или потенциальные). Кстати, цветовые схема термограмм многие находят довольно эстетичными – есть в этом что-то от Энди Уорхола. А чёрно-белые снимки в инфракрасном спектре, сделанные при помощи специальных фильтров, вообще могут считаться современным фото-артом.

А чем тепловизор может помочь нам с вами, простым людям неспециализированных профессий? Например, проверить качество проводки и теплоизоляции квартире и на даче. Если вы подбираете новую квартиру, тепловизор пригодится, чтобы сразу проверить все щели и трещины, которые можно не заметить невооружённым взглядом.

Такой аудит полезно заказать для любого помещения, жилого или рабочего, но почему бы не сделать всё самим? Это мало того что просто, так ещё и денег позволит сэкономить немало – прибор останется с вами, и количество использований никто не ограничивает. Так что когда у вас случится засор или прорыв трубы, найти место можно будет, не разворачивая половину стен в доме.

С трубами и батареями разобрались. Но тепловизоры пригодятся и для проверки нагревательных котлов (не забываем про летние отключения) и тёплых полов, не говоря уж про любимые всеми бани на даче. Ну а диагностика электрики – вообще бесценная опция: согласитесь, электриков мы вызываем обычно, когда уже всё плохо, а обнаружить короткое замыкание заранее означает предотвратить потенциальный пожар.

Рекомендации по проектированию систем видеонаблюдения с использованием тепловизоров

Исходя из физических принципов работы тепловизора можно сформулировать теоретические ограничения его применения: невозможность идентификации цели (в привычном для стандартных задач понимании), неспособность воспринимать тепловое излучение сквозь преграды, «растворение» объектов в фоне с температурой близкой к температуре объекта. Но это в теории.

Инженерный отдел компании Видеомакс решил не ограничиваться теорией и проверить работу тепловизора на практике. Мы провели ряд тестов для выяснения специфики работы и применения тепловизионной камеры в реальных условиях. По результатам тестирования было выявлено несколько важных обстоятельств, которыми мы хотим поделиться с читателями.

Если кратко суммировать результаты исследования, то прежде всего, мы убедились, что существуют ситуации, в которых применение тепловизоров имеет некоторые ограничения:

  • невозможность идентификации и распознавания
    невозможность распознавания и идентификации наблюдаемых объектов в том понимании, которое справедливо для обычных камер светового диапазона. Изображение теплового излучения, например, человека, не позволяет его идентифицировать, и даже зафиксировать какие-либо приметы полезные для проведения расследования и поиска злоумышленника;

  • объект может «раствориться» в фоне
    дневное наблюдение тепловизором может не дать столь эффективный результат, как наблюдение ночью. Особенно в жаркий солнечный день, когда наблюдаемый предмет может сравняться по температуре с фоном и практически «раствориться» в нём;

  • объект может укрыться за преградой
    человек, укрывшийся за непроницаемой преградой, скажем, листом фанеры, в случае выравнивания температур преграды и окружающей фона, например, поверхности земли или кустов, может быть не обнаружен тепловизором. Правда, это касается уже довольно больших расстояний, в нашем эксперименте – 100 метров;

  • тепловизоры не видят сквозь стекло и воду
    интересное и эффектное наблюдение, однако кажется, что на практике это маловероятно. В реальных ситуациях на периметре вряд ли кто-то будет перемещаться, укрывшись за стеклом или куском оргстекла.

Какие главные выводы можно сделать из указанных ограничений? Прежде всего, нужно понимать, что в определенных ситуациях, тепловизор может не сработать и пропустить цель, причем на довольно близких к нему расстояниях – таких, на которых обычная камера уже отлично видит и детектирует объект.

Это в особенности важно для объектов, где проникновение злоумышленника может принести значимый ущерб, где злоумышленник вполне имеет цель укрыться от тепловизора. И здесь возникает диссонанс – с одной стороны именно для категорированных и особо охраняемых объектов тепловизоры чаще всего и применяются, с другой – именно на такие объекты проникновение осуществляется подготовленным злоумышленником, знающим физические принципы работы тепловизора.

Спасает в этой ситуации лишь то, что наиболее опасная ситуация для тепловидения – яркий солнечный день, когда проникновение по статистике наименее вероятно. Но тем не менее и заказчику, и проектировщику, нужно знать об указанных ограничениях и учитывать при формировании тактики охраны.

Рассматривая тему тепловидения невозможно не упомянуть о таком понятии как Критерий Джонсона. И здесь есть, о чем порассуждать прежде чем переходить к рекомендациям по проектированию.

Наибольшее количество вопросов при проектировании систем видеонаблюдения с использованием тепловизоров возникает на этапе разработки проектного решения и определении тактики охраны объекта. По этой причине основные рекомендации посвящены именно этому.

  1. Точно формулируйте задачу
    Крайне важно вместе с заказчиком сформулировать задачу, которую требуется решить. Что это будет – обнаружение цели, распознавание или идентификация. Учитывайте, что эти формулировки для тепловизора имеют иной смысл.

  2. Используйте корректировки для критерия Джонсона
    Оговорите с заказчиком вероятность решения задачи и возможность работы в сложных метеоусловиях. Для особо важных объектов возможно придется установить в разы больше устройств, чем предполагалось.

  3. Используйте тепловизор по назначению
    Не стоит использовать тепловизор только лишь как средство экономии на освещении. Его основное назначение – наблюдение за открытыми пространствами ночью без освещения, где вероятность появления ложной цели минимальна. Скорее всего оператор не будет смотреть на изображение, получаемое с тепловизора (это просто неприятно), поэтому основная задача тепловизора – предоставить данные для работы детектора движения. Если в поле зрения постоянно будут появляться объекты, не представляющие угрозу, то внимание оператора будет притупляться и безопасность объекта снижаться. К тому же, тепловизионное изображение не позволяет качественно идентифицировать объект и определить степень угрозы. Например, невозможно определить – к объекту приближается грибник, или диверсант.
    В связи с этим, основное назначение тепловизора – охрана дальних подходов к объекту в малонаселенных местностях и местностях со сложным рельефом, охрана береговых зон, акваторий, контроль запретных зон. Первостепенная задача тепловизора – обеспечить срабатывание детектора движения.

  4. Помните об ограничениях работы тепловизора
    Тепловизор эффективен для целей, которые не имеют намерения укрыться, и не столь эффективен для замаскированных объектов. Тепловизор не эффективен в яркий солнечный день. Тепловизор не сможет предоставить достоверные данные о приметах объекта для его розыска и эффективного расследования.
  5. Совмещение тепловизоров и обычных камер дает наилучший результат
    Наилучший результат с точки зрения защиты объекта дает совмещение тепловизионных камер и обычных. В этом случае тепловизоры обеспечивают обнаружение объектов на дальних подступах и его ведение, а обычные камеры дают возможность оператору распознать объект на ближних рубежах и классифицировать его по степени угрозы. В яркий солнечный день обычные камеры позволяют обнаруживать объект на расстояниях сопоставимых с дальностями работы тепловизоров и заменяют их, когда объект наблюдения «сливается» с температурой фона.

После того, как определены все цели и методы защиты объекта, среди которых нашлось место для тепловизора, необходимо определить места установки тепловизоров, выбрать углы обзора, и рассчитать дальность действия. Как было сказано выше, расчеты проводятся на основании критерия Джонсона с соответствующими поправками на вероятность решения задачи и метеоусловия.

И здесь мы не устаем повторять, что объектив с большим фокусным расстоянием сильно сокращает угол обзора и увеличивает мёртвую зону перед камерой. Это всегда следует иметь в виду при определении места и направления установки тепловизора.

  • контроль степени теплоизоляции промышленных и коммунальных объектов, дверных и оконных проемов, а также подвалов и крыш домов;
  • измерение теплопроводности материалов;
  • нахождение точек утечки теплопотерь в домах и тепловых системах;
  • определение разгерметизации инженерных систем: вентиляции, кондиционирования, а также теплоснабжения и электроснабжения;
  • обследование фасадов домов в отопительный период;
  • диагностику дымовых труб и теплообменников.  

Ведущие производители

В этом разделе мы постараемся рассказать об основных производителях всех сфер, о которых было сказано выше. Не удивляйтесь, встречая там повторения знакомых названий: большинство компаний производят широкую линейку тепловизоров разного назначения и в разных ценовых диапазонах.

Ключевым производителем армейских тепловизионных приборов считается Fortuna, но различные бинокли, монокуляры, очки, насадки и прицелы в равной степени высоко ценятся и охотниками, и специалистами спецслужб и ЧОПов. Пожалуй, вторым любимым брендом этих пользователей можно назвать Pulsar. Компания IWT получила известность благодаря разработке уникального военного комплекса с дальномером стоимостью более 2,3 млн руб.

Предлагаем ознакомиться  Черенки роз дали листочки что делать дальше

В медицине ценятся приборы Пергам и СИЛАР. На производстве часто используются тепловизоры марки Fluke или немецкого концерна Testo.

Есть, как мы уже сказали, настоящие компании-универсалы. Так, американская FLIR пользуется заслуженной популярностью и уважением среди профессионалов почти всех сфер, поскольку производит буквально всё – и медицинское оборудование, и промышленные тепловизоры, и бытовые тепловизионные приборы, и знаменитый дрон DJI Zenmuse XT оснашён инфракрасной камерой FLIR.

Что делает тепловизор

Как вы знаете, наша страна сейчас находится под экономическими санкциями, в рамках которых поставки определённых типов оборудования и продукции конкретных компаний запрещены, поэтому легально ввезти тепловизор FLIR в Россию нельзя. Но не расстраивайтесь раньше времени: несколько лет назад несколько сотрудников FLIR основали собственную компанию – Seek Thermal, которая теперь производит тепловизоры под собственным брендом.

И производит, надо сказать, успешно: устройства компании сейчас являются самыми доступными бытовыми тепловизорами, а по качеству они не уступают FLIR. Пусть материнская компания первой выпустила компактный мобильный тепловизор для iOS, именно в Seek Thermal эту идею довели до ума, совместив качественную начинку и лёгкий корпус и снизив цену.

Критерий Джонсона

Внимательный читатель заметит, что когда мы говорим о работе тепловизора, то в основном применяем термин «обнаружение». А как быть с распознаванием и идентификацией? Насколько хорошо тепловизионная камера справляется с этими задачами?

Прежде всего, стоит напомнить, что вкладывается в понятия обнаружения, распознавания и идентификации, когда речь идёт о наблюдении в обычных условиях, т.е., в видимом световом спектре. Этот вопрос рассматривается нами в отдельном материале, здесь сформулируем кратко:

  • Обнаружение – определение типа объекта (человек, автомобиль)

  • Распознавание – определение примет объекта (молодой мужчина в зелёной куртке)

  • Идентификация – установление личности конкретного человека (Иван Иванович)

Посмотрев на стандартную картинку, получаемую с тепловизионной камеры, мы увидим, что человек на ней выглядит весьма специфично.

Изображение человека в тепловизионной камере

Изображением человека в тепловизионной камере является отражением интенсивности теплового излучения (температуры) различных участков тела и одежды. Выявить приметы объекта наблюдения по такому изображению практически невозможно.

Распознать и, тем более, идентифицировать его по такому изображению будет довольно трудно. И если с обнаружением всё вроде бы понятно, то с какими же критериями подходить к задачам распознавания и идентификации?

Следует сказать, что применительно к обычному наблюдению возможность решения задач распознавания и идентификации имеет совершенно определённое численное выражение, представленное в таком параметре, как плотность пикселей на метр.

Учитывая особенности изображения, получаемого тепловизором, был разработан способ приближённой оценки возможности решения вышеприведённых задач для тепловизионных камер. Он получил название «критерий Джонсона», по имени изобретателя метода. Метод был разработан экспериментальным путём и заключается в соответствии размеров объекта в единицах пространственного разрешения картинки и вероятности решения задач по различению объектов.

Кроме того, с учётом специфики визуального восприятия тепловизионной картинки, триада стандартных задач различения объектов приобретает иной вид. Фактически задачи для наблюдения тепловизором смещаются на одну ступень относительно задач для видимого диапазона.

Задача Наблюдение в видимом спектре Наблюдение теплового излучения

Обнаружение

Определение типа объекта (человек, автомобиль)

Обнаружение объекта (факт появление объекта в кадре)

Распознавание

Определение примет объекта (примерный пол и возраст человека, во что одет)

Определение типа объекта (человек, автомобиль)

Идентификация

Определение уникальности объекта (конкретная личность)

Определение примет объекта (пол человека, тип автомобиля)

Задача решаемая при наблюдении теплового излучения на основе критерия Джонсона Кол-во пикселей по наименьшему размеру проекции объекта

Обнаружение

2

Распознавание

6

Идентификация

12

Именно эти значения чаще всего приводят в качестве инструкции для определения дальности работы тепловизора. При этом заметим, что указанные значения рассчитывались для решения соответствующих задач с вероятностью 50% в нормальных погодных условиях.

Для других вероятностей применяются коэффициенты пересчёта.

Вероятность, % 100 95 80 50 30 10 2

Коэффициент

3

2

1,5

1

0,75

0,5

0,25

Таким образом, если мы хотим, например, обнаружить с помощью тепловизора человека с вероятностью 95%, необходимо, чтобы в кадре его размер по ширине, т.е., в горизонтальной плоскости, был не менее четырех пикселей (2*2, где первый множитель – критерий Джонсона для обнаружения, второй – коэффициент для вероятности 95%). При этом мы не поймем, что это человек, а только лишь зафиксируем факт появления объекта в кадре.

Как мы видим, критерий Джонсона – вероятностный показатель, но он может дать хотя бы приблизительный прогноз эффективности работы тепловизионной камеры для решения конкретной задачи в заранее известных условиях.

Еще одна важная особенность, которую не учитывает критерий Джонсона – влияние погодных условий. Как уже было отмечено в статье, неблагоприятные погодные условия снижают возможность “видеть” объекты тепловизором. Снижение дальности обнаружения (по-другому – снижение контраста объекта) может быть до 2-3 раз.

Учет влияния погодных условий

Предлагаемый нами учет влияния погодных условий в виде коэффициента пересчета не имеет научного или методологического эмпирического обоснования. Указанные значения являются результатом опыта внедрения тепловизоров нашими партнерами и анализа массива информации в интернете. Очевидно, что неблагоприятные погодные условия влияют на решение задач тепловизорами, и если этого не учитывать, то защищенность объекта в сильный снег, дождь, туман, снижается. Поэтому наше мнение – если стоит задача обеспечить работу системы во всем диапазоне погодных условий эксплуатации, то определенную поправку вносить нужно обязательно. Какое это будет значение – решать вам. Свои рекомендации мы привели.

Задача Кол-во пикселей по наименьшему размеру проекции объекта

Обнаружение

10


Распознавание

30

Идентификация

60

Инструменты расчета

Указанные в таблицах данные о количестве пикселей по наименьшему размеру проекции объекта используются для выбора объектива и определения дальности работы тепловизора в соответствии с задачей и с учетом вероятности ее решения в заданных метеоусловиях. Рассчитать дальность действия тепловизора в этих условиях можно вспомнив школьный курс математики, либо воспользоваться готовыми таблицами от производителей тепловизоров.

Для иллюстрации применения данного метода приведём таблицу дальности обнаружения для модели тепловизора Axis Q1932-E.

Данные приведены для стандартных значений критерия Джонсона для вероятности решения задачи 50% и нормальных погодных условиях. Указанные значения дальности нужно уменьшать кратно для корректировки относительно вероятности решения задачи и ухудшения погодных условий.

Пример: необходимо фиксировать факт пресечения границ объекта человеком на прямом участке периметра на расстоянии 300 метров с вероятностью 95% в любых погодных условиях.

Для решения задачи достаточно обнаружения. Вероятность 95% требует уменьшить максимальное расстояние в 2 раза. Сложные погодные условия – 2,5 раза (по нашим рекомендациям). В общей сложности это 5 раз. По таблице видно, что для обнаружения человека единственно возможным решением будет использование объектива 60 мм, т.к. 1800м/5=360м, что дает нам перекрытие требуемых 300 м.

Все значимые моменты работы и применения тепловизионных камер мы рассмотрели, теперь подведем итог и сформулируем рекомендации для проектировщиков.

Тепловизоры Seek Thermal

Главное отличие тепловизоров FLIR и Seek Thermal состоит в том, что первые автономны, и их нужно заряжать, а вот вторые работают на аккумуляторе смартфона, причём достаточно экономно расходуют заряд. Как правило, модели Seek Thermal Compact (это и есть «мобильная» серия) сравнивают с FLIR ONE, и сравнение это не в пользу компании-учителя: и разрешение матрицы меньше (206 x 156 пикселей против 160 x 120), и видимый диапазон температур не такой широкий.

Правда, FLIR ONE использует одновременно собственную инфракрасную камеру и камеру смартфона, совмещая изображения с них в единую чёткую картинку с множеством деталей. С помощью этого тепловизора можно осуществлять замедленную и панорамную съемку.

Правда, это преимущество меркнет, как только речь заходит о цене, так что в качестве домашнего мобильного тепловизора мы однозначно рекомендуем Seek Thermal Compact. В линейке есть три пары моделей: Compact, Compact XR и Compact PRO, каждая для Android и iOS. Все они чрезвычайно миниатюрны, весят меньше 20 г и поставляются с защитным боксом.

Если вам всё же нужен автономный, но доступный тепловизор, обратите внимание на линейку Seek Thermal Reveal. В серии также три модели, которые с технической точки зрения полностью идентичны своим аналогам из линейки Compact. Все они помещаются в ладонь и карман, а также оснащены небольшим цветным экраном и фонариком на 300 люмен.

В зависимости от модели варьируется частота смены кадров (от 9 до 15 Гц), время работы от аккумулятора, разрешение матрицы и дальность. Такой тепловизор удобно взять с собой на охоту или пользоваться во время домашних работ. Уместить все подробности в один абзац невозможно (да и не нужно), так что традиционно отправляем в наш тематический обзор, если они нужны.

Подводя итоги

Если до этой статьи вы не были знакомы с тепловизионными приборами, теперь, вероятно, у вас появилось понимание, насколько широко их применение. И оно не ограничивается только узкопрофессиональными сферами вроде медицины или военного дела. Тепловизор поможет даже в мелочах: скажем, на шашлыках вы точно узнаете, когда мясо готово, и не передержите его.

К счастью, сейчас на рынке появились модели для бытового использования по адекватным ценам, и даже эти деньги (50 тысяч за самую профессиональную домашнюю модель) окупятся довольно быстро. Вместо вызова бригады специалистов на стройку вы сможете сами проверить качество работ, сэкономив тем самым деньги. Кстати, если ваш ребёнок всегда хотел быть Суперменом – это его шанс!

Оцените статью
Огородник 24
Adblock detector