Kamery termowizyjne – o czym warto wiedzieć

Kamery termowizyjne stosowane w dozorze wizyjnym charakteryzuje praca praktycznie w każdych warunkach, nawet w absolutnej ciemności i przy ekstremalnie złej pogodzie. Na co zwrócić uwagę, by w pełni wykorzystać możliwości tych urządzeń?
Jan T. Grusznic, a&s Polska

Zrozumienie zasad działania urządzeń wpływa na ich efektywniejsze wykorzystanie. Nie inaczej jest z kamerami termowizyjnymi, chętnie stosowanymi w systemach ochrony obwodowej, ale też do kontrolowania temperatury procesów przemysłowych. Kamera termowizyjna tworzy obraz, wykorzystując promieniowanie podczerwone. Podczerwień to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od 780 µm do 1 mm. To zakres fal leżący pomiędzy światłem widzialnym a promieniowaniem mikrofalowym.

Wyróżniamy cztery podstawowe pasma:

• bliska podczerwień (near infrared, NIR) 0,8–1,1 µm
• krótka podczerwień (short wave infrared, SWIR) – zakres 0,9–2,5 µm,
• średnia podczerwień (mid wave infrared, MWIR) – zakres 3–5 µm,
• daleka podczerwień (long wave infrared, LWIR) – zakres 7–14 µm.

Znaczna część tego spektrum nie jest jednak rejestrowana przez kamery termowizyjne, wiele długości fal jest bowiem pochłanianych przez gazy znajdujące się w atmosferze ziemskiej (rys. 1). Istotne dla funkcjonowania kamer są tzw. okna widmowe lub okna transmisji atmosferycznej. Określają pasma, które mogą zostać wykorzystane.
Każdy obiekt, którego temperatura jest wyższa od zera bezwzględnego, tj. -273,15°C emituje energię. Jej ilość zależy od temperatury obiektu, wielkości jego powierzchni oraz poziomu emisyjności. Tworzenie obrazu polega na rejestracji przez kamerę promieniowania emitowanego przez obiekt, a następnie przetworzeniu go na obraz widoczny dla ludzkiego oka. Kamery termowizyjne są w stanie dostarczyć czytelny obraz zarówno za dnia, jak i nocą, nawet mimo mgły, deszczu czy opadów śniegu, choć duże zamglenie lub opady ograniczą obszar efektywnego działania urządzenia. Najważniejsze jest to, że kamery termowizyjne nie potrzebują do tego żadnego źródła światła.

Chłód się ceni

Obecne na rynku kamery termowizyjne można podzielić na dwa typy: z przetwornikiem niechłodzonym i chłodzonym. Te pierwsze są przystosowane do pracy w oknie widmowym LWIR, te drugie – MWIR. Oba typy różnią się, co oczywiste, nie tylko sposobem działania i budową detektorów, lecz także ceną. Kamery z przetwornikiem niechłodzonym są wielokrotnie tańsze od tych dla fal MWIR.

Typowe kamery termowizyjne stosowane w dozorze wizyjnym mają matrycę detektorów niechłodzonych o rozdzielczości od 160 x 120 pikseli nawet do 1280 x 1024 pikseli. Wykonywane są z materiałów typowych dla detektorów termicznych, takich jak tlenek wanadu (VOx – największy udział w rynku) lub krzem amorficzny (a-Si – popularny z uwagi na fakt, że jego produkcja jest łatwiejsza, a co za tym idzie tańsza).

Zasięg detekcyjny

Jakość niechłodzonych przetworników jest tak wysoka, że mogą one wykrywać obiekty odległe nawet o 8 km. To oczywiście rzadko wykorzystywana możliwość. Zazwyczaj objęte dozorem odcinki mierzą od 100 do 500 m. Zasięg detekcyjny zależy od ogniskowej użytego obiektywu, ale również od warunków pogodowych. W sytuacji, gdy w atmosferze unoszą się różnego rodzaju cząstki, np. wody (z mgły) lub dymu, to ogólnie rzecz biorąc, transmisja fal o długości LWIR będzie lepsza, niż ma to miejsce w przypadku transmisji fal widzialnych w zakresie 0,38–0,78 µm. W większości przypadków są one bowiem pochłaniane i rozpraszane przez cząstki w większym stopniu niż ma to miejsce w przypadku LWIR. Zmniejsza to skuteczność działania kamer wizyjnych w porównaniu z kamerami termowizyjnymi. Nie oznacza to jednak, że kamery termowizyjne będą idealnie działać w każdych warunkach. Należy bowiem pamiętać o takim aspekcie, jakim jest wpływ środowiska na tłumienie fali, tzw. tłumienność.

Załóżmy, że kamera do pracy wymaga różnicy temperatur wynoszącej 2°C między obiektem docelowym a tłem. Mgła, deszcz lub śnieg będą negatywnie wpływać na obraz termowizyjny, pochłaniając i rozpraszając fale promieniowania i niwelując różnicę temperatury. Dzieje się tak, ponieważ wzrost tłumienności zwiększa się wraz z ilością cząsteczek pochłaniających promieniowanie oraz z wydłużeniem się drogi transmisji promieniowania, co wpływa to na zmniejszenie mocy promieniowania docierającego do obiektywu kamery, i ostatecznie do detektora (tab. 1).

Tabela 1. Zakres detekcji kamer wizyjnych i termowizyjnych LWIR w zależności od klasy mgły

W przypadku mgły klasy I i II zakres LWIR jest znacznie większy niż zakres wizyjny. Jednak w przypadku mgły klasy III nawet fale LWIR są pochłaniane i rozpraszane. W takich warunkach nie ma prawie żadnej różnicy w zasięgu między kamerami wizualnymi a termowizyjnymi.

Na przykład kamera termowizyjna z obiektywem 60 mm będzie miała zasięg detekcyjny ok. 600 m. W mglisty dzień tłumienie będzie wynosić 10 dB/km lub 1 dB/100 m, co daje całkowite tłumienie na poziomie 3 dB. Zatem tylko 50% energii emitowanej przez obiekt dotrze do detektora, co spowoduje niższy sygnał wejściowy. Niższy sygnał wejściowy da bardziej zaszumiony obraz, ponieważ zmniejsza się stosunek sygnału do szumu. Do pewnego stopnia zostanie to zrekompensowane przez przetwarzanie obrazu, ale nie zmienia to faktu, że będzie on zawierać mniej informacji, będzie bardziej „szary” i mniej kontrastowy, co utrudni odróżnienie szczegółów. Tłumienie sygnału negatywnie wpłynie na wydajność kamery i utrudni pracę aplikacji do analizy wideo. Dlatego należy unikać instalacji, w których kamera pracuje na granicy maksymalnej deklarowanej wydajności detekcyjnej.

Czułość termiczna

Czułość termiczna to poprawność wizualizacji przez kamerę przy zwiększeniu kontrastu obrazu. Czułość termiczna zależy od temperatury obiektu. Gdy temperatura obiektu rośnie, generowany przez kamerę sygnał również wzrasta. Oznacza to, że stosunek sygnału (wzrost) do szumu (wartość stała) zwiększa się, gdy obserwacja dotyczy cieplejszych obiektów. Najczęściej czułość kamery termowizyjnej przedstawiana jest jako wartość NETD (Noise Equvialent Temperature Difference – różnica temperatury równoważna szumowi) wyrażana w milikelwinach (mK) i jest najchętniej stosowanym parametrem w praktyce termograficznej, gdyż ma odniesienie do rzeczywistych warunków pracy kamery. NETD jest pomiarem ilościowym ukazującym różnice temperaturowe w scenie równe szumowi detektora lub całego systemu pomiarowego.

Wartości NETD podawane są na ogół dla temperatury od 20 do 25°C. Przy niższych temperaturach otoczenia wartość NETD maleje, co przekłada się na wzrost czułości kamery termowizyjnej. Dlatego kamera termowizyjna może wydawać się czulsza o poranku, gdy różnica między chłodnym tłem a emitującym energię obiektem jest większa, niż ma to miejsce w południe. Zdecydowane zwiększenie czułości zauważymy zimą, a zmniejszenie latem. Im niższa wartość, tym wyższa czułość urządzenia, ponieważ oznacza to, że kamera jest w stanie rozróżnić mniejsze zakresy temperatur i uzyskać bardziej szczegółowy obraz. Wiele sprzedawanych obecnie kamer termowizyjnych oferuje czułość na poziomie >50 mK, przy czym modele wyższej jakości osiągają czułość >40 mK, a urządzenia z najwyższej półki nawet >35 mK. Urządzenia o wyższej czułości termicznej mają ogromną przewagę podczas pracy w niekorzystnych warunkach otoczenia, takich jak mgła, dym i kurz.

Bardzo duży wpływ na czułość termiczną mają zastosowane obiektywy. Standardowo w kamerach termowizyjnych wykorzystuje się obiektywy o apreturze F1.0 (ogniskowa jest równa średnicy soczewki). Jednak ciągła walka cenowa oraz dążenie do zmniejszenia wielkości soczewek, co z kolei pozwala zmniejszyć całe urządzenie, powodują, że coraz częściej stosowane są obiektywy o mniejszej aperturze. Na przykład soczewki F1.4 wywołują dwukrotne zmniejszenie czułości termicznej, a F2.0 – czterokrotne. Dlatego kamerze o czułości 50mK (0,05°C) w momencie użycia obiektywu F1.4 zmieni się czułość termiczna do 100mK (0,1°C). Warto mieć to na uwadze, porównując parametry kamer.

Obraz nie całkiem monochromatyczny

Obraz uzyskiwany z kamery termograficznej jest monochromatyczny, ponieważ takie urządzenie zawiera przetwornik wrażliwy tylko na jeden zakres długości fal promieniowania podczerwonego. Zazwyczaj kamery monochromatyczne wyświetlają obraz, wykorzystując do tego 256 odcieni jednego koloru, by w ten sposób odwzorować zmianę intensywności sygnału. Jest to użyteczne, gdyż mimo że oko ludzkie ma większą rozpiętość dynamiki dla jasności niż koloru, to możliwość dostrzegania subtelnych różnic na obszarach o wysokiej jasności jest u ludzi mocno ograniczona. Najczęściej wykorzystywaną paletą jest white hot (gorący biały) lub black hot (gorący czarny). Głównie wynika to z wykorzystania analizy zawartości obrazu, która najlepiej wykrywa zmiany w kontrastowym obrazie (rys. 2).

W zależności od typu kamery i producenta zastosowana paleta odcieni będzie mieć różne nazwy, a przede wszystkim rozkład tonalny. Choć najczęściej używanymi trybami pracy są black hot i white hot, to dostawcy nie szczędzą wysiłków, aby dostosowywać odcienie stosowanych kolorów do wymagań użytkowników. Przykładem może być wprowadzenie palety ice and fire, gdzie najcieplejsze miejsca są czerwone, a najzimniejsze mają barwę niebieską. Paleta ice and fire powstała na bazie palety white hot.

Instalacja kamery termowizyjnej

Właściwa instalacja jest kluczowa dla wykorzystania pełnego potencjału termowizji. Umiejscowienie kamery ma znaczący wpływ na jej skuteczność. Montaż powinien zapewniać jak najpełniejszy obraz obserwowanego obszaru. Natomiast temperatura tła monitorowanej sceny powinna być jak najbardziej równomierna i niższa lub wyższa od temperatury typowej osoby, która może pojawić się w scenie. W ten sposób obiekt będzie odróżniać się od tła. (Informacja, co zrobić, by w miarę możliwości spełnić ten warunek, znajduje się w ramce na poprzedniej stronie).

Należy też zapewnić swobodną linię widoku z kamery bez żadnego elementu zakłócającego lub blokującego. Najlepiej, by obserwowany obszar pozbawiony był takich elementów jak gałęzie drzew czy flagi, czyli takie obiekty, które podczas wietrznej pogody będą chaotycznie poruszać się w kadrze. W zasięgu obserwowanej sceny powinien znajdować się jeden lub kilka łatwo rozpoznawalnych obiektów, np. komin na tle nieba lub budynek. Ułatwi to użytkownikom szybszą identyfikację obserwowanego miejsca.
Kamera powinna być zamontowana tak stabilnie, jak to tylko możliwe. W przypadku instalacji na słupie jego ruch lub drżenie może być interpretowane jako ruch w scenie, mimo że nic się nie poruszyło. Przydatne staje się wykorzystanie elektronicznej stabilizacji obrazu, zwłaszcza dla kamer z dużymi ogniskowymi do dalekiej obserwacji.

Stabilizacja obrazu

Elektroniczna stabilizacja obrazu, znana również jako cyfrowa stabilizacja obrazu, została opracowana przede wszystkim dla kamer wideo. Wykorzystuje różne algorytmy modelowania ruchu kamery, które są następnie używane do korygowania obrazu. Zarejestrowane piksele są stosowane jako bufor dla ruchu, a informacje o nich można następnie wykorzystać do przesunięcia obrazu elektronicznego z klatki na klatkę, by zrównoważyć ruch i stworzyć stabilny strumień wideo.

Pojawienie się niedrogich żyroskopów wraz z bardziej wydajnymi algorytmami modelowania ruchu umożliwia tworzenie systemów hybrydowych wykorzystujących pomiary żyroskopowe do cyfrowego przetwarzania obrazów, zapewniając szeroki zakres częstotliwości. Nawet w warunkach słabego kontrastu stabilizacja obrazu spełnia swoje zadanie, ponieważ do obliczeń są stosowane informacje żyroskopowe, a nie zawartość strumienia wideo. Z tego powodu urządzenie wyposażone w elektroniczną stabilizację obrazu jest odporne na ewentualne drżenia i wibracje wywołane np. przez podmuchy wiatru.

Maksymalny potencjał kamer termowizyjnych zostanie wykorzystany tylko wtedy, gdy proces instalacji zostanie poprzedzony analizą sytuacyjną i warunkami, w jakich będzie pracować kamera lub cały ich zestaw. Bez tego nawet najbardziej wyrafinowana kamera nie spełni swojego zadania – ochrony mienia powierzonego jej czujnemu oku.
Część kamer termowizyjnych jest wyposażona w funkcję alarmowania związanego z temperaturą do zdalnego monitorowania np. stanu wygrzania urządzeń. Istnieją dwa podstawowe typy alarmów temperatury. Jeden jest wyzwalany, gdy temperatura wzrasta powyżej lub poniżej ustawionego limitu temperatury, ale także wtedy, gdy temperatura zmienia się zbyt szybko. Drugi to punktowy alarm temperatury, w którym kamera mierzy temperaturę określonego obszaru na obrazie.

Zobacz przykłady kamer termowizyjnych.

Przeczytaj inne artykuły tego autora:
Mogłoby być lepiej
Współczesne hotele: pełen komfort i dyskretna ochrona
Taktyka i technika w ochronie obwodowej
Odczyt tablic rejestracyjnych – przegląd rozwiązań