Тепловизор и его применение в системах видеонаблюдения

Интерес к тепловизионной технике растёт с каждым днём. Вместе с тем примеров применения в реальных системах видеонаблюдения не так и много. Причины: дороговизна оборудования, недостаток информации по правилам проектирования систем с тепловизорами, неясная эффективность использования в реальных обстоятельствах.

C одной стороны на тему тепловизоров существуют основательные научные статьи с многоэтажными формулами для расчётов, и с другой - маркетинговые материалы и таблицы, по которым выбирают оборудование, не углубляясь в физику процесса и решаемые задачи.

Мы решили восполнить информационный пробел и расскажем как о теории, так и о практике применения тепловизоров для охранного видеонаблюдения и дадим ценные рекомендации специалистам проектировщикам.

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.

Для понимания насколько 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 сдвинут 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.

Рабочий диапазон спектра тепловизоров

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

Для сферы наблюдений наибольший 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 диапазоны. Например, 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.

Матрицы охлаждаемые и неохлаждаемые

Тепловизионные камеры различаются по видам 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. В связи с этим применительно к сфере охранного наблюдения охлаждаемые тепловизоры позволяют обнаруживать человека на расстояниях до нескольких километров. Чаще всего они применяются для наблюдения за протяжёнными стратегическими территориями, например, акваториями портов и т.п.

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.

Температурная чувствительность тепловизора

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.

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

Матрицы калиброванные и некалиброванные

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.

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.

Основные задачи, решаемые 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.

Объективы для тепловизоров

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

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.

Объективы для тепловизоров из германия не пропускают видимый свет и поэтому тепловизоры можно легко визуально отличить от камер видеонаблюдения по внешнему виду объектива.

Объективы для тепловизоров всегда фиксированные и очень дорогие, по этой причине к их выбору следует подходить внимательно и обоснованно. Этот вопрос мы рассмотри ниже, в главе о критерии Джонсона.

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 происходит в наблюдаемой области понять будет невозможно - сколько злоумышленников, как они вооружены, что они делают. Такая ситуация с тепловизором не произойдет - ослепить его не возможно.

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.

Решаемые тепловизором задачи кажутся фантастическими! Это именно то, что нужно в системах безопасности. Высокая стоимость тепловизора может с лихвой окупиться за счёт 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.

Ограничения применения тепловизоров в системах безопасности

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.

С полными результатами исследования можно ознакомиться по ссылке. Как проходило исследование в нашем видеоролике:

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.

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.

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. Изначально для критерия Джонсона размер объекта привязывался к штриховой мире (периоду, состоящему из тёмной и светлой линий). Поскольку для видеонаблюдения за единицу отсчёта удобней брать элемент цифрового изображения, т.е. пиксель, в оценке по критерию Джонсона чаще всего применяется именно он.

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.

Типовые значения критерия Джонсона для стандартных задач, решаемых с вероятностью 50% в хороших метеоусловиях, с учётом специфики для тепловизионного изображения:

Получаемое при этом изображение:

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.

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 четырёх 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.

Ещё 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. Это означает, что для обеспечения работы тепловизора в широком диапазоне погодных условий значения размера объекта в пикселях следует пересчитать, умножив, например, на 2,5.

В качестве примера приведем таблицу для стандартных задач согласно классификации Джонсона с учётом вероятности 95% и для работы в широком диапазоне погодных условий (снег, дождь, туман):

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.

Рекомендации по проектированию систем видеонаблюдения с использованием тепловизоров

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 придётся 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, расчёты проводятся на основании критерия Джонсона с соответствующими поправками на вероятность решения задачи и метеоусловия. Когда необходимые значения плотности пикселей определены, производится оптический расчёт. В тепловизорах часто возникает соблазн использования длинно фокусных объективов, ведь расстояния обнаружения могут быть до нескольких километров.

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.

Для специалистов проектировщиков мы провели вебинар на тему проектирования систем видеонаблюдения с использованием тепловизионных камер:

Что дешевле - один тепловизор, или несколько видеокамер?

Сразу оговоримся, что вопрос вне контекста задачи абсолютно некорректен. Тепловизор, как было сказано ранее, решает иные задачи, и сравнивать его напрямую с обычной камерой неверно. Однако именно в такой формулировке вопрос звучит достаточно часто, поэтому сформулируем задачу максимально одинаково для тепловизора и камер.

Задача: Требуется обеспечить обнаружение объектов на прямом участке периметра в 500 метров в условиях отсутствия внешних источников освещения в нормальных погодных условиях с вероятностью решения задачи 50%.

Решение с использованием тепловизора:

Два тепловизора AXIS Q1932-E 19 mm, два коммутатора TFortis PSW-2G, сопутствующее оборудование, материалы и работы.

Стоимость решения: 1 143 696 р. (подробная смета)

Решение с использованием видеокамер и ИК подсветки:

Восемь камер AXIS P1365-E Mk II, восемь прожекторов AXIS T90B20 IR-LED, три коммутатора TFortis PSW-2G, сопутствующее оборудование, материалы и работы.

Стоимость решения: 1 161 539 р. (подробная смета)

Из расчётов видно, что стоимость решения задачи защиты и обнаружения целей на периметре с использованием тепловизоров и камер сопоставимы. Решение на тепловизорах даже немного дешевле. Значит ли это, что теперь стоит повсеместно переходить на тепловизоры? Конечно же нет. Задачи, решаемые тепловизорами и камерами, значительно отличаются, и принимать решение о тактике охраны объекта следует из контекста угроз.

Заключение

Тепловизор - уникальное и не имеющее аналогов устройство, позволяющее решать сложные задачи охраны периметра и открытых пространств в системах безопасности. Применение тепловизоров с высокой достоверностью обеспечивает фиксацию целей на дальних подступах к объекту, на периметре, в запретных зонах, в отсутствии какого-либо естественного или искусственного освещения. Совмещение тепловизоров и стандартных камер делает визуальное наблюдение и фиксацию целей возможным в широком диапазоне условий эксплуатации, в т.ч. в сложных метеоусловиях.

Активному распространению тепловизоров в системах безопасности способствует постоянное снижение стоимости, связанное с развитием технологий и удешевления производства. Применение тепловизоров стало возможным и экономически оправданным на большом количестве объектов. И не только стратегических или категорированных, а вполне рядовых коммерческих и частных.

В этих условиях важно понимать не только преимущества, но и ограничения использования тепловизионных камер. Заказчик и проектировщик должны отлично понимать все особенности технологии тепловизионного наблюдения и принять обоснованное решение. Мы уверены, что данная статья дает ответы на большинство типовых вопросов проектировщиков систем видеонаблюдения.