Krzysztof Skowroński

Termowizja i analiza obrazu są znane od wielu lat, jednak dla wielu wciąż skrywają tajemnice i nieodkryte zalety w zastosowaniach security. Podobne pytania słyszę podczas spotkań i rozmów z wieloma osobami z branży.

1. W jaki sposób kamera termowizyjna „widzi” promieniowanie podczerwone?

Termowizja jest metodą obrazowania rozkładu temperatury obserwowanych obiektów, opartej na detekcji promieniowania podczerwonego. W uproszczeniu kamera termowizyjna jest rodzajem termometru działającego na odległość. Mierząc różnice temperatury na powierzchni obserwowanych obiektów, tworzy ich obraz temperaturowy. Każdy piksel obrazuje różnicę temperaturową wyrażoną odpowiednią barwą lub odcieniem szarości. Działanie kamery termowizyjnej nie ma zatem nic wspólnego z tworzeniem obrazu w tradycyjnych kamerach wizyjnych.

2. Na czym polega różnica pomiędzy kamerą termowizyjną a kamerą wizyjną?

Kamera termowizyjna zapewnia obrazowanie niewidzialnego promieniowania podczerwonego (tzw. energii termicznej), czyli wykrywa energię fal elektromagnetycznych o określonej długości w zakresie pomiędzy światłem widzialnym a falami radiowymi. Ze względu na charakterystykę przepuszczalności powietrza zależną od długości fali producenci kamer termowizyjnych wykorzystują głównie zakres LWIR (8–14 um), który ulega nieznacznemu tłumieniu w atmosferze.

W odróżnieniu od klasycznych kamer wizyjnych, których przetworniki CMOS/CCD wykrywają fotony promieniowania widzialnego (lub też bliskiej podczerwieni, np. z oświetlaczy podczerwieni), docierające po odbiciu od obserwowanych obiektów do przetwornika, kamera termowizyjna jest wyposażona w detektor promieniowania podczerwonego wyemitowanego (nie odbitego!) przez obiekt. Z reguły jest to niechłodzona matryca bolometryczna, której zadaniem jest pomiar temperatury docierającego do kamery promieniowania cieplnego. Padające promieniowanie jest absorbowane w materiale detektora, co powoduje podniesienie temperatury elementów matrycy bolometrycznej i zmianę ich rezystancji.

3. Jakie obiekty wykrywa kamera termowizyjna?

Każdy obiekt o temperaturze powyżej zera bezwzględnego 0°K (czyli powyżej -273,15°C) emituje energię. Zatem praktycznie każde ciało fizyczne znajdujące się na Ziemi emituje energię termiczną (np. człowiek emituje promieniowanie podczerwone o temperaturze ok. 309°K). Czyli każdy obiekt spełniający powyższy warunek jest wykrywany przez kamerę termowizyjną.

4. Co stanowi o wyższości kamery termowizyjnej w systemie monitoringu?

Kamera termowizyjna do uzyskania obrazu nie wymaga doświetlenia sceny aktywnym źródłem światła. Działa dyskretnie w całkowitej ciemności i ta cecha stanowi istotną zaletę oraz przewagę pod względem skuteczności działania. Ponadto działa skutecznie w trudnych warunkach widoczności, takich jak zadymienie, opady deszczu lub śniegu. Jest równie skuteczna latem w pełnym słońcu, gdyż wykrywa nawet najmniejsze różnice temperatury pomiędzy tłem a obiektami znajdującymi się w zasięgu obserwacji.

Opisane właściwości termowizji sprawiają, że znajduje ona szerokie zastosowanie w systemach ochrony zewnętrznej i perymetrycznej. Kamery termowizyjne monitorują rozległe tereny, place magazynowe, parkingi, obszary o słabej lub „zerowej” dla tradycyjnych kamer widoczności, w terenach zalesionych, w przemyśle, transporcie itd. Są niezastąpione i najskuteczniejsze w sytuacjach, gdy nie ma konieczności identyfikacji obiektów, a wymagane jest jedynie szybkie wykrycie i stwierdzenie ich obecności. Stanowią swoisty rodzaj detektora dalekiego zasięgu. Utrudniona widoczność czy niekorzystne warunki atmosferyczne to statystycznie warunki największego nasilenia czynów przestępczych. Tymczasem w takich właśnie warunkach termowizja zapewnia skuteczną, a przy tym dyskretną detekcję potencjalnych intruzów bez konieczności doświetlania obszarów monitorowanych.

5. Jakie korzyści zapewnia kamera termowizyjna z analizą wizji?

Określenie analiza wizji jest zbyt uogólniane i nadużywane do celów marketingowych, stosuje się je nawet w kontekście najprostszych rozwiązań nieznacznie odbiegających od zwykłej detekcji ruchu.
Klient ma utrudnione zadanie, stojąc przed wyborem konkretnego algorytmu analizy treści obrazu (VCA) tego czy innego producenta. Brak norm i uregulowań mogących stanowić zasadnicze narzędzie do klasyfikacji czy oceny jakościowej algorytmów analizy spowodowało swobodę w zakresie propagandy marketingowej.
Tymczasem wystarczy przeprowadzić rzetelny test w rzeczywistych (nie laboratoryjnych!) warunkach, aby się przekonać, jaki poziom jakości (czytaj: skuteczności) prezentuje badany algorytm.

Zachęcam również do zwrócenia uwagi na różnice, jakie prezentuje analiza wizji posiadająca certyfikację i-LIDS – brytyjskiego instytutu naukowego powołanego przez rządowy organ Home Office i zajmującego się badaniem oraz oceną skuteczności algorytmów analitycznych w systemach wizyjnych. Wielka Brytania, niekwestionowany pionier i europejski lider pod względem skali wdrożonych systemów wizyjnych, już wiele lat temu usankcjonowała kwestie oceny jakościowej analizy wizyjnej. Nadanie certyfikatu i-LIDS oznacza jedno – przebadany algorytm zdał trudny egzamin i prezentuje bardzo wysoki poziom skuteczności.

Wracając do postawionego pytania, obraz z kamery termowizyjnej w odpowiednich trybach palety barw, np. w trybie white-hot, charakteryzuje się czytelnym odróżnieniem (kontrastem) obiektów ciepłych od tła. Poddanie takiego obrazu analizie sprawia, że obiekty o temperaturze innej niż temperatura tła są bardzo szybko wykrywane i bezbłędnie śledzone. Wykrycie i sklasyfikowanie obiektu jako zagrożenie (np. człowiek -> ALARMUJ, zwierzę -> IGNORUJ) powoduje natychmiastowe powiadomienie o alarmie, a przy tym nie generuje fałszywych alarmów.

Wykrycie z dużym prawdopodobieństwem realnego zagrożenia i natychmiastowa reakcja stanowią kluczową zaletę termowizji połączonej z analizą obrazu. Narząd wzroku operatora wykorzystywany dotychczas jako podstawowe i często jedyne narzędzie detekcji sytuacji alarmowych może być wyręczony z konieczności ciągłej obserwacji obrazów.
Połączenie tych dwóch technologii stanowi zatem silne narzędzie w ochronie zewnętrznej i obwodowej. Biorąc pod uwagę kilkukilometrowe zasięgi detekcji uzyskiwane przez kamery termowizyjne, można z powodzeniem określić te urządzenia mianem detektorów intruza o dalekim zasięgu i wysokiej skuteczności.

Krzysztof Skowroński
Od 20 lat związany z branżą security, od 2001 r. pracuje w firmie CBC Poland. Ma bogate doświadczenie w zakresie systemów VSS i rozwiązań technologicznych stosowanych w systemach monitoringu wizyjnego.