6219 
О чем идет речь? Популярность тепловизионных камер растет год от года. И если раньше они использовались в основном военными или охотниками, то теперь данное оборудование применяется и в сфере систем видеонаблюдения.
На что обратить внимание? Выбор конкретной камеры зависит от задач и бюджета. Иногда тепловизионное оборудование заменяется обычным, оснащенным инфракрасной подсветкой, но такой подход нельзя назвать альтернативой, ведь качество будет не на высоте.
Оглавление:
- Устройство тепловизионных камер
- Виды матриц тепловизионных камер
- Отличие тепловизионной камеры от IP-камеры с инфракрасной подсветкой
- Сферы применения тепловизионных камер
- Расшифровка и обработка изображения тепловизионной камеры
- Критерии выбора тепловизионной камеры
- Ограничения в работе тепловизионной камеры
- Перспективы развития технологии тепловизионных камер
Устройство тепловизионных камер
Закон Планка гласит, что любой объект, который имеет собственную температуру выше абсолютного нуля, испускает тепловое и электромагнитное излучение. Тепловизор представляет собой устройство, которое способно улавливать это излучение и передавать данные на камеру. Интенсивность излучения определяется только температурой объекта, на которую не влияют условия освещенности. Выпускаемые сегодня тепловизоры обнаруживают излучение в пределах от -50 до +50 градусов по Цельсию. Это достаточно, чтобы увидеть любой живой объект.
.jpg)
В основе работы современных тепловизионных камер находится чувствительная матрица, которая улавливает инфракрасное излучение и концентрирует его в виде электромагнитных колебаний, а те, в свою очередь, преобразуются в изображение на экране. При этом цветовая палитра изображения варьируется от белого до разных оттенков серого или красного цвета. Цветным оно не бывает, так как для этого потребовалось бы визуальное обнаружение, в то время как тепловизор способен улавливать лишь тепло.
Простейший тепловизор состоит из следующий элементов:
- Объектив. Он необходим, во-первых, чтобы пропускать излучение к чувствительным элементам и, во-вторых, чтобы защитить их от внешнего воздействия. Объективы дальнего обзора производят из германия, также при изготовлении этой части тепловизора используются всевозможные просветляющие покрытия.
- Приемник. Необходим для сосредоточения излучения и его перенаправления на матрицу. Приемник производится из материалов, обладающих достаточной проводимостью.
- Блок для обработки зафиксированных колебаний преобразует их в изображение, которое передается на устройства вывода.
- Программа, которая управляет работой всей системы. Она обеспечивает обработку сигнала через различные фильтры, использование модуля видеоаналитики. Обработанное изображение в черно-белых или красных тонах передается на монитор.
Виды матриц тепловизионных камер
Представленные на рынке тепловизионные камеры используют один из двух типов матрицы – охлаждаемые и неохлаждаемые.
Охлаждаемые модели оснащаются матричным приемником, помещенным в вакуумную оболочку с криогенной установкой. Такие устройства отличаются исключительно высокой чувствительностью и способны улавливать даже отдельные фотоны. Охлаждаемые камеры применяются как в стационарных, так и в мобильных устройствах, а также в оборудовании для научных и медицинских исследований.
.jpg)
Сверхвысокая чувствительность матрицы позволяет зафиксировать присутствие посторонних объектов на удалении до нескольких километров. Такая особенность оказывается очень полезна для решения стратегических задач, например охраны пограничных территорий, наблюдения за прибрежными акваториями и т. д. Есть у таких устройств и недостатки: это высокая цена, небольшой срок работы, а также необходимость постоянного технического обслуживания.
Неохлаждаемые матрицы имеют более доступную цену и меньший размер. Однако чувствительность и дальность обнаружения у таких камер значительно меньше. Доступная стоимость, тем не менее, обусловила широкое распространение неохлаждаемых камер. Они находят применение в быту, в охране частных домов и даже промышленных предприятий, в наблюдении за окружающей средой, словом, в тех отраслях, где максимальная дальность обнаружения не имеет критического значения.
Скачивайте и используйте уже сегодня:
10 шагов, которые помогут выбрать добросовестного подрядчика
Поможет сохранить бюджет и уложиться в сроки проекта
Исходя из круга решаемых задач, тепловизионные камеры классифицируют на измерительные и обнаружительные.
Измерительные модели применяются как на производстве, так и в научной деятельности для анализа распределения температуры в ограниченном пространстве либо на поверхности каких-либо предметов.
Обнаружительные устройства применяются правоохранительными структурами, военными формированиями, спасателями для поиска объектов в условиях недостаточной освещенности или при ограниченной видимости.
Способность тепловизионных камер обнаруживать предметы при невозможности визуального наблюдения делает эти устройства очень востребованными в самых разных отраслях. Они размещаются как на стационарных, так и на мобильных платформах. Чувствительная матрица способна зафиксировать тепловое излучение даже в полной темноте, при наличии атмосферных осадков, а также в условиях, когда непосредственный визуальный обзор может создать опасность для наблюдателя.
Тепловизоры функционируют в спектральном диапазоне 8-14 мкм (LWIR) и снабжаются как моторизованными, так и атермальными объективами.
Отличие тепловизионной камеры от IP-камеры с инфракрасной подсветкой
Первое отличие, которое сразу бросается в глаза, – это стоимость. Не менее 230 000 рублей придется заплатить за тепловизионный прибор, а IP-камера, имеющая опцию ИК-подсветки, обойдется в среднем в 1 500 рублей. Эти устройства имеют совершенно разные сферы применения и функционал.
Если тепловизор позволит засечь предмет с расстояния около 1,5 километров, то камера с инфракрасной подсветкой сможет помочь лишь на расстоянии 20-50 метров. Цифры просто несопоставимые. Кроме того, для ИК-камеры даже дальность обзора в 50 метров будет доступна при наличии в ней коллиматорной линзы. Критически важное значение имеет также и угол освещения.
.jpg)
ИК-подсветка испускает световое и тепловое излучение, которое привлекает насекомых. Они могут облепить объектив или оставить на нем паутину. И то и другое значительно снижает дальность обзора и качество изображения. С этой проблемой помогают бороться ИК-прожекторы, которые монтируются отдельно от камеры, позволяя сохранить качество картинки, но дальность наблюдения при этом не увеличивается.
Тепловизор не подвержен влиянию ограничивающих визуальный обзор преград. Тепловые колебания могут быть легко зарегистрированы даже в полной темноте. Еще один минус камер с инфракрасной подсветкой. Они чувствительны к атмосферным осадкам, туману, дыму, которые значительно искажают изображение. Тепловизор в таких условиях способен работать так же, как и при идеальной погоде.
Сферы применения тепловизионных камер
Достоинством тепловизионных камер является их способность работать в одной системе с традиционными IP-камерами.
Охрана территории
Тепловизор позволяет эффективно контролировать стратегические объекты, на которых неприемлемо нахождение посторонних лиц. Такое устройство способно моментально обнаружить нежелательный объект и тут же передать тревожный сигнал на пульт управления даже при нулевой видимости.
.jpg)
Профилактика пожаров
Традиционная пожарная сигнализация хорошо справляется с задачей обнаружения возгорания в закрытых помещениях. Но как быть с промышленными площадями, которые нередко не имеют кровли и используются для размещения ценного имущества? Или, например, на строящихся объектах может отсутствовать электроснабжение, следовательно, подключить обычную сигнализацию в этом случае не представляется возможным.
Не стоит забывать и об опасности лесных пожаров в жаркое время года. Потушить очаг возгорания гораздо проще, если обнаружить его в самом начале, пока огонь не охватил крупные лесные массивы.
Со всеми этими задачами прекрасно справляется тепловизионная камера. Она не только поможет обнаружить отклонения температурных условий от нормы, но и зафиксирует величину этих отклонений, позволяя составить термальную схему наблюдаемого объекта.
Мониторинг температуры оборудования
Способность тепловизионных камер не только фиксировать тепловое излучение, но и определять его температуру, обеспечила им применение на производстве для мониторинга технического состояния оборудования. Признаком превышения допустимой нагрузки, а также многих неисправностей является отклонение температуры агрегатов и их узлов от обычных показателей. Чувствительный тепловизор позволяет зафиксировать эти отклонения и своевременно провести обслуживание. В результате обеспечивается долговечность оборудования, непрерывность производственного цикла, снижение издержек.
.jpg)
Для указанных целей существует отдельный класс тепловизора – термометрическое оборудование, которое обеспечивает решение следующих задач:
- Регистрация температурных колебаний. С помощью специального программного обеспечения настраивается максимально допустимая температура оборудования, при превышении которой на пульт управления отправляется оповещение. Это позволяет персоналу своевременно обнаружить износ станков и определить необходимость проведения ремонтах работ.
- Точная термометрия. В ряде случаев требуется не просто фиксировать перегрев, но и получать точную информацию о температурном режиме в течение всего производственного цикла. Например, в металлургии технология производства сплавов и материалов содержит жесткие требования по степени их нагрева, несоблюдение этих требований может привести к браку и значительным убыткам.
Расшифровка и обработка изображения тепловизионной камеры
Изображение, полученное от тепловизионной камеры видеонаблюдения, имеет различные оттенки в диапазоне от черного до серого. Чем светлее тон, тем выше температура в соответствующей области.
Также часто используется цветная палитра. Наиболее горячие участки на изображении имеют красный, оранжевый цвет, а наиболее холодные – синий, фиолетовый. Это позволяет получить более наглядную картину, особенно в тех случаях, когда необходимо зафиксировать не только тепловое излучение, но и его температуру.
.jpg)
Сегодня производятся беспилотные летательные аппараты, которые могут показывать изображение в нескольких цветовых палитрах, позволяют задавать для каждого цвета то или иное пороговое значение температуры в зависимости от конкретной задачи. Поддерживается до 256 оттенков в 8-битных форматах JPEG или MPEG-4.
После того как матрица тепловизора уловила тепловую волну и передала сигнал на контроллер, информация обрабатывается при помощи специализированного программного обеспечения, которое при помощи функции видеоаналитики способно построить на основе этих данных статичное изображение или видеоряд.
Сигнал от тепловизионной камеры анализируется при помощи программ DJI Terra или Pix4D. Они восстанавливают первоначальное положение основных центров фотографирования, образуя множество точек и полноценных 3D-моделей. Таким способом обрабатываются видеоданные в видимом диапазоне, а затем центры снимков тепловизора и фотокамеры сопоставляются с учетом положения центров матриц.
Такая технология дает возможность получить высокую точность привязки инфракрасных изображений и формировать достоверные тепловые модели с указанием участков разной степени нагрева. Инфракрасная картинка трансформируется в псевдоцветную, которую можно различить невооруженным глазом. Так, на изображениях затемненные участки соответствуют низким температурам, а светлые – наиболее высоким.
Недорогие модели тепловизоров могут лишь фиксировать тепло от объекта без указания данных о температуре. Дорогостоящие камеры позволяют получить сведения о температуре отдельных зон наблюдаемого объекта. В совокупности с геотегами и данными GPS это повышает эффективность анализа изображения.
Критерии выбора тепловизионной камеры
Выбирая модель тепловизионной камеры дал тех или иных задач, надо учитывать следующие моменты:
Разрешение
Здесь речь идет о двух типах разрешения: сенсора и дисплея вывода. Какими бы высокими характеристиками ни обладал дисплей, данные он получает от сенсора, и именно от разрешающей способности последнего зависит четкость тепловой карты, количество участков, на которых фиксируется различие температур. Высокая чувствительность увеличивает и дальность обнаружения. Матрицы с низким разрешением годятся для использования только в ограниченном пространстве.
.jpg)
Обращайте внимание и на размер пикселя, который указывается в микронах. Чем он меньше, тем более высокую четкость и детализацию имеет конечное изображение.
Перечислим ключевые характеристики тепловизионной камеры, которые нужно учитывать при выборе подходящей модели:
- разрешение сенсора;
- разрешение дисплея вывода;
- размер пикселя.
Температурный диапазон
Информативность полученного изображения в значительной степени зависит от разброса между минимальной и максимальной температурой, которую может зафиксировать инфракрасная тепловизионная камера. Наиболее дорогие модели способны работать в диапазоне от -20 до +400 градусов по Цельсию. Наиболее совершенные модели могут различать температуру вплоть до 1200 градусов по Цельсию. Разумеется, стоимость подобных устройств значительно выше, чем у менее чувствительных аналогов.
Если, например, планируется наблюдение за живыми объектами, то нет необходимости в регистрации температур свыше 50 градусов, и можно обойтись более дешевыми моделями. Если же при помощи тепловизора планируется исследовать поведение металла при нагреве в доменной печи, то придется использовать более совершенное и дорогостоящее оборудование.
Чувствительность
Эта характеристика означает, какова минимальная разница температур, которую способен уловить сенсор. Одни модели не зафиксируют разницу менее чем в 5 градусов. Чувствительные устройства могут уловить колебания, не превышающие, 1/10 радиуса по Цельсию, позволяя формировать более точное изображение. Это отразится на картинке в виде большего количества оттенков. Единицей измерения чувствительности служит милликельвин (млк). Чем меньше это значение, тем выше чувствительность.
.jpg)
Хранение и экспорт данных
Многие тепловизионные камеры способны сохранять запись на встроенной или съемной памяти. Архив можно экспортировать на SD-карту или жесткий диск. Более дорогие модели способны соединяться с другими устройствами по Wi-Fi или Bluetooth, сохранять данные на удаленном сервере или в облачном хранилище. Такие возможности упрощают выполнение функций видеоаналитики на стороннем оборудовании.
Ограничения в работе тепловизионной камеры
Существует ряд обстоятельств, которые могут ограничить возможность применения тепловизионных камер. Рассмотрим их подробнее.
- Малоинформативное изображение на дисплее вывода (тепловизор передает только контур объекта, но не его полноцветную тепловую модель).
- Неспособность преодолевать препятствия между объективом и наблюдаемым объектом.
- Резкое снижение способности к обнаружению, если объект имеет сходную температуру с окружающей средой, особенно для недорогих тепловизоров с невысокой чувствительностью.
Заметьте, что если между объективом и объектом имеется преграда из воды или стекла, то сигнал сквозь них не пройдет.
.jpg)
Указанные особенности не позволяют рассчитывать на 100-процентную эффективность тепловизора, если он используется как единственное устройство наблюдения. Наиболее высокие показатели работы достигаются при сочетании тепловизионной камеры с традиционными системами видеомониторинга, тогда вероятность обнаружения посторонних предметов возрастает в 2-5 раз.
Таким образом, если говорить об использовании тепловизора для обнаружения людей на территории с ограниченным доступом, то работа такого устройства будет иметь ряд особенностей:
- Вероятность обнаружения объекта в темноте резко возрастает.
- Наиболее горячими на изображении будут выглядеть открытые места на теле человека, а наиболее холодными – участки, спрятанные под одеждой или обувью.
- Составить детальное описание внешности по тепловой карте не удастся.
Для оценки эффективности тепловизионной камеры разработан так называемый критерий Джонсона, который учитывает множество важнейших параметров.
.jpg)
При необходимости увеличить процент вероятности обнаружения предмета средние значения умножают на коэффициент пересчета. Вычисления носят приблизительный характер, однако они вполне позволяют оценить эффективность тепловизора при выполнении той или иной задачи.
Строго определенных критериев пересчета при изменении метеоусловий нет. Тем не менее пользователи тепловизоров единогласно говорят, что четкость и чувствительность камер снижается во время тумана или при выпадении обильных осадков.
Например, для того чтобы обнаружить объект с вероятностью 95 %, минимальное разрешение объектива должно быть не менее 10 пикселей (при среднем табличном значении 2). Для идентификации потребуется уже не менее 60 пикселей. Оптимальная дальность обнаружения при этом снижается в 2,5-5 раз. Таким образом, чтобы засечь человека с расстояния 300 метров, придется использовать объектив на 60 мм.
Перспективы развития технологии тепловизионных камер
Тепловизионное наблюдение с момента своего появления сразу привлекло внимание военных и охранных организаций. Для них способность обнаружить объект на максимально дальнем расстоянии и идентифицировать его является критически важной. Для тепловизоров нашлось применение и в мирных целях – при измерении тепловых карт в ходе научных исследований, создании промышленных образцов. Все это побудило разработчиков к дальнейшей деятельности по совершенствованию конструкции устройств и программного обеспечения.
Различают следующие направления в развитии тепловизионных технологий:
- Оборудование невысокой стоимости и слабой или средней разрешающей способности.
- Оборудование с высокой разрешающей способностью и дополнительными функциями.
- Двухдиапазонные тепловизионные системы.
- Многосенсорные системы.
Неохлаждаемые тепловизионные камеры стали основным предметом разработок на протяжении последних 10 лет. Инженеры стремились создать такое оборудование, которое было бы доступно по цене и вместе с тем смогло бы обеспечить высокое качество и детализацию тепловой карты. В результате появились модели, которые по большинству характеристик практически не уступают камерам с криогенным охлаждением, сохранив при этом стоимость свих прототипов.
Сегодня неохлаждаемые тепловизоры находят широкое применение даже при решении военных задач для обнаружения объектов на небольших расстояниях. Основная область использования подобного оборудования – инфракрасный фокус и инфракрасная оптика.
Самые совершенные неохлаждаемые тепловизоры способны обеспечить получение изображения с разрешением 680 x 480, в основном они используются для военных задач. Модели с разрешением 320 х 240 пикселей применяются в радиометрических работах, автомобильной промышленности, охранных комплексах, для бесконтактного определения температуры. Устройства с разрешением 160 х 120 пикселей наиболее дешевы и пользуются спросом у клиентов, которым нужно обеспечить только обнаружение постороннего объекта на ограниченном расстоянии без предпочтений к детализации тепловой карты.
Повышение качеств неохлаждаемых детекторов не могло не сказаться на разработках охлаждаемых моделей. Так, разработчики криогенных тепловизоров переориентировались на рынок тепловизионных систем, работающих в диапазоне MWIR и LWIR, которые применяются для постоянного наблюдения за подвижными объектами. Можно выделить несколько направлений разработки:
- Минимизация издержек на производство систем с охлаждающими модулями второго и третьего поколений, обладающих разрешением не более 640 х 480 пикселей.
- Разработка моделей с высоким разрешением, которые способны формировать изображение, сопоставимое с тепловизионным камерами с минимальной разрешающей способностью 1280 х 720 пикселей.
- Разработка многополосных охлаждаемых систем, которые могут обрабатывать весь цветовой спектр для выполнения задач по обнаружению и измерению.
- Разработка поляризационно-чувствительной камеры, которая способна на порядок повысить эффективность работы охлаждаемых сенсоров.
Также нельзя не отметить и тренд на объединение в одну систему устройств, работающих на различных физических принципах и технологиях. Наряду с тепловизионной камерой в единый комплекс интегрируются телевизионная камера, работающая с видимым спектром, лазерные дальномеры и устройства целеуказания. Подобные системы можно считать многосенсорными. Длительное время они применялись в авиапромышленности и военных целях, но сегодня стали доступны и для бытового и промышленного использования.
Продвинутые многосенсорные комплексы, применяющиеся, например, в авиационной промышленности, включают в себя множество разнотипных датчиков. Чаще всего это не менее двух тепловизионных камер, одна из которых имеет широкий, а вторая – узкий диапазон, широкоформатная цветная видеокамера с высокой разрешающей способностью, цветная видеокамера, имеющая сверхузкое поле зрения, телекамера с узким уровнем освещенности, (LLLTV), дальномер, указка, целеуказатель, подсветка, основанные на использовании лазера.
Кроме того, большинство современных мобильных тепловизионных камер имеют встроенные модули, например GPS, лазерный дальномер, гониометр, телекамера видимого диапазона и лазерная указка. Существуют системы, в которых тепловизионные камеры объединены в единый комплекс с радиоволновыми радарами или и радарами, улавливающими волны в миллиметровом диапазоне. Совместное использование оборудования разных типов значительно повышает возможность обнаружения и эффективность всей системы.
Тепловизионные камеры – это эффективное средство наблюдения и обнаружения в условиях, когда традиционное видеооборудование не может нормально работать из-за темноты, осадков, задымления и т. п. Высокая стоимость устройств с лихвой компенсируется повышением уровня безопасности. Кроме того, средняя цена тепловизоров в последние годы значительно снизилась, что делает такое оборудование доступным как для бизнеса, так и для частных пользователей.
