Jak działa termowizja?

Termowizja pozwala tworzyć obraz na podstawie promieniowania podczerwonego emitowanego przez obiekty.
 
Nie potrzebuje klasycznego światła widzialnego.
 
Dlatego termowizor może działać:
 
• w dzień,
• w nocy,
• w całkowitej ciemności.

Termowizor nie "widzi ciepła" w potocznym sensie

Rejestruje promieniowanie elektromagnetyczne w podczerwieni.
 
Ilość tego promieniowania zależy m.in. od:
 
• temperatury obiektu,
• jego emisyjności,
• odbić od otoczenia,
• atmosfery pomiędzy obiektem a kamerą.

Każdy obiekt o temperaturze powyżej zera absolutnego emituje promieniowanie

Rozkład tego promieniowania zależy od temperatury.
 
Im cieplejszy obiekt:
 
• tym więcej energii emituje,
• maksimum widma przesuwa się w stronę krótszych fal.

Podczerwień

Podczerwień znajduje się poza zakresem widzialnym dla ludzkiego oka.
 
W termowizji spotykamy m.in. pasma:
 
• SWIR,
• MWIR,
• LWIR.
 
Najpopularniejsze niechłodzone termowizory obserwacyjne pracują w paśmie LWIR.

LWIR

Long-Wave Infrared obejmuje fale dłuższe niż światło widzialne i bliska podczerwień.
 
Typowe niechłodzone mikrobolometry pracują w zakresie około:
 
8-14 µm.
 
To bardzo użyteczne pasmo dla obiektów o temperaturach spotykanych w codziennym otoczeniu.

Dlaczego człowiek jest dobrze widoczny w LWIR?

Ciało człowieka ma temperaturę rzędu kilkudziesięciu stopni Celsjusza i emituje dużo promieniowania właśnie w długofalowej podczerwieni.
 
Dlatego sylwetka człowieka może być dobrze widoczna nawet wtedy, gdy dla oka panuje całkowita ciemność.

Mikrobolometr

Sercem większości współczesnych niechłodzonych termowizorów jest mikrobolometr.
 
Każdy piksel detektora:
 
• pochłania promieniowanie IR,
• minimalnie zmienia temperaturę,
• zmienia swoje właściwości elektryczne,
• jest odczytywany przez elektronikę.

To nie jest zwykły sensor CMOS

Klasyczny sensor aparatu fotograficznego reaguje na fotony światła widzialnego i bliskiej podczerwieni.
 
Mikrobolometr mierzy efekt cieplny promieniowania długofalowego.
 
Dlatego konstrukcja detektora i optyki jest zupełnie inna.

Niechłodzony detektor

Większość ręcznych termowizorów używa detektora niechłodzonego.
 
Zalety:
 
• szybki start,
• mała masa,
• niski pobór energii,
• brak kriogenicznego układu chłodzenia.

Detektory chłodzone

W bardziej zaawansowanych systemach stosuje się detektory chłodzone.
 
Mogą oferować:
 
• wyższą czułość,
• bardzo szybki odczyt,
• pracę w innych pasmach IR.
 
Są jednak znacznie droższe, cięższe i bardziej złożone.

Rozdzielczość detektora

Typowe wartości:
 
• 160×120,
• 256×192,
• 384×288,
• 640×512,
• 1024×768.
 
To liczba realnych pikseli termicznych detektora.

Rozdzielczość wyświetlacza to nie rozdzielczość termiczna

Termowizor może mieć ekran 1920×1080, ale detektor np. 384×288.
 
Elektronika może przeskalować obraz do wyższej rozdzielczości, lecz:
 
nie tworzy nowych szczegółów termicznych.

Interpolacja

Upscaling może:
 
• wygładzić krawędzie,
• poprawić wygląd obrazu,
 
ale nie zwiększa fizycznej rozdzielczości detektora.

Pixel pitch

Odległość między pikselami detektora może wynosić np.:
 
• 17 µm,
• 12 µm.
 
Mniejszy pixel pitch pozwala zbudować mniejszy detektor o tej samej liczbie pikseli albo zastosować krótszą optykę dla podobnego pola widzenia.

Mniejszy piksel nie zawsze oznacza lepszy termowizor

Trzeba analizować cały system:
 
• rozdzielczość detektora,
• ogniskową,
• światłosiłę,
• NETD,
• jakość optyki,
• algorytmy obrazu.

NETD

Noise Equivalent Temperature Difference określa, jak małą różnicę temperatury detektor potrafi odróżnić od własnego szumu.
 
Wartość podaje się zwykle w:
 
mK - milikelwinach.

Niższy NETD jest lepszy

Przykładowo:
 
• NETD 40 mK,
• NETD 25 mK,
• NETD 15 mK.
 
Przy porównywalnych warunkach niższa wartość oznacza możliwość pokazania subtelniejszych różnic temperatury.

NETD nie jest rozdzielczością obrazu

Rozdzielczość 640×512 mówi:
 
• ile punktów przestrzennych mamy.
 
NETD mówi:
 
• jak małe różnice sygnału cieplnego mogą być widoczne.
 
To dwa zupełnie różne parametry.

Dobry NETD pomaga przy małym kontraście termicznym

Szczególnie:
 
• przy wilgotnej pogodzie,
• po zachodzie słońca,
• gdy obiekt i tło mają podobną temperaturę.

Optyka termowizyjna

Zwykłe szkło optyczne nie przepuszcza dobrze długofalowej podczerwieni.
 
Dlatego obiektywy termowizyjne wykonuje się z materiałów transparentnych dla LWIR.

German

Jednym z najczęściej stosowanych materiałów jest german.
 
Dla oka może wyglądać jak ciemne, niemal nieprzezroczyste szkło, ale dla LWIR jest optycznie użyteczny.

Dlaczego termowizor nie widzi przez zwykłą szybę?

Szkło okienne jest w dużej mierze nieprzezroczyste dla LWIR.
 
Termowizor skierowany na szybę pokazuje głównie:
 
• temperaturę powierzchni szkła,
• odbite promieniowanie otoczenia.

To jeden z najczęstszych mitów

Termowizor:
 
nie działa jak urządzenie rentgenowskie.
 
Nie widzi swobodnie przez:
 
• ściany,
• szkło,
• większość typowych przeszkód.

Emisyjność

Emisyjność opisuje, jak skutecznie powierzchnia emituje promieniowanie w porównaniu z idealnym ciałem czarnym.
 
Wartość mieści się w zakresie:
 
0-1.

Wysoka emisyjność

Materiały takie jak:
 
• matowa farba,
• skóra,
• wiele materiałów organicznych
 
mają zwykle stosunkowo wysoką emisyjność.

Niska emisyjność

Polerowane metale mogą mieć bardzo niską emisyjność.
 
Wtedy termowizor rejestruje silnie:
 
• odbicia cieplne z otoczenia.

Gorący czy tylko odbija?

Błyszczący metal może na obrazie wyglądać na:
 
• gorący,
• zimny
 
w zależności od tego, co odbija.
 
Dlatego interpretacja obrazu termicznego wymaga znajomości powierzchni.

Termowizja obserwacyjna vs pomiarowa

Termowizor obserwacyjny służy przede wszystkim do:
 
• wykrywania różnic cieplnych,
• lokalizowania obiektów.
 
Kamera radiometryczna dodatkowo może przypisywać pikselom wartości temperatury.

Pomiar temperatury jest trudniejszy niż wykrywanie obiektu

Do dokładnego pomiaru trzeba uwzględniać:
 
• emisyjność,
• temperaturę odbitą,
• odległość,
• wilgotność atmosfery,
• transmissję optyki.

Atmosfera

Powietrze nie jest idealnie przezroczyste dla podczerwieni.
 
Na dalekim dystansie wpływ mają:
 
• para wodna,
• mgła,
• deszcz,
• pył.

Mgła

Termowizja może radzić sobie lepiej niż światło widzialne w części warunków mglistych, ale:
 
nie widzi przez gęstą mgłę bez ograniczeń.
 
Krople wody tłumią i rozpraszają promieniowanie.

Deszcz

Może:
 
• obniżyć kontrast termiczny,
• schłodzić powierzchnie,
• tłumić sygnał na większym dystansie.

Kontrast termiczny

Najważniejszy dla widoczności nie jest sam fakt, że obiekt jest "ciepły".
 
Liczy się różnica:
 
obiekt ↔ tło.

Crossover

W pewnych porach doby temperatura obiektu i otoczenia może się wyrównać.
 
Kontrast termiczny spada i obraz staje się trudniejszy do interpretacji.

Po zachodzie słońca

Różne materiały stygną z różną szybkością.
 
Dlatego termowizor może pokazać:
 
• nagrzane wcześniej mury,
• drogi,
• kamienie
 
jeszcze długo po zachodzie słońca.

NUC

Non-Uniformity Correction wyrównuje różnice pomiędzy pikselami detektora.
 
Bez korekcji każdy piksel mógłby mieć trochę inną odpowiedź na ten sam sygnał.

Shutter calibration

W wielu termowizorach słychać okresowe:
 
"klik".
 
To wewnętrzna migawka zasłania detektor jednolitym źródłem odniesienia, aby wykonać korekcję NUC.

Obraz na chwilę się zatrzymuje

Podczas automatycznej kalibracji:
 
• obraz może zamarznąć na ułamek sekundy.
 
To normalne działanie urządzenia.

Shutterless

Niektóre systemy wykonują korekcję bez klasycznej migawki mechanicznej.
 
Wymaga to zaawansowanej kompensacji elektronicznej i termicznej.

AGC

Automatic Gain Control dostosowuje sposób mapowania temperatur do jasności ekranu.
 
Dzięki temu obraz pozostaje czytelny, nawet gdy zakres temperatur sceny bardzo się zmienia.

Dlaczego ten sam obiekt raz wygląda inaczej?

Jeżeli AGC przelicza zakres sceny na nowo:
 
• jasność poszczególnych elementów może się zmienić,
 
mimo że ich fizyczna temperatura prawie się nie zmieniła.

Palety obrazu

Najpopularniejsze:
 
• White Hot,
• Black Hot,
• Red Hot,
• Iron / Rainbow,
 
oraz różne warianty producentów.

White Hot

Cieplejsze obszary są jaśniejsze.
 
To bardzo naturalna i uniwersalna paleta obserwacyjna.

Black Hot

Cieplejsze obszary są ciemniejsze.
 
Niektórzy użytkownicy łatwiej rozpoznają w niej kształty i drobne szczegóły.

Kolor nie jest prawdziwym kolorem obiektu

Palety kolorowe są:
 
pseudokolorem.
 
Elektronika przypisuje kolory różnym poziomom sygnału termicznego.

Refresh rate

Częstotliwość odświeżania określa, ile obrazów na sekundę generuje termowizor.
 
Typowe wartości:
 
• 9 Hz,
• 25 Hz,
• 50 Hz,
• 60 Hz.

Wyższe Hz = płynniejszy obraz

Jest to szczególnie widoczne:
 
• podczas ruchu,
• przy panoramowaniu,
• przy obserwacji ruchomych obiektów.

Ogniskowa

Dłuższa ogniskowa:
 
• daje węższe pole,
• większą skalę obiektu.
 
Krótsza:
 
• daje szersze pole,
• mniejszą skalę.

Pole widzenia - FOV

Zależy od:
 
• rozmiaru detektora,
• pixel pitch,
• ogniskowej obiektywu.

Ta sama ogniskowa, różne sensory

Obiektyw 25 mm na:
 
• 256×192,
 
i:
 
• 640×512
 
nie musi dawać identycznego pola, jeśli różni się fizyczny rozmiar matrycy.

Cyfrowy zoom

Powiększa fragment już zarejestrowanego obrazu.
 
Nie zwiększa liczby realnych pikseli termicznych na obiekcie.

Zoom 2× nie podwaja rozdzielczości

Przy cyfrowym zoomie 2×:
 
• każdy fragment obrazu jest wyświetlany większy,
 
ale detektor nadal ma tę samą liczbę pikseli.

Detekcja, rozpoznanie, identyfikacja

To trzy różne poziomy informacji:
 
detekcja - widzimy, że coś jest.
rozpoznanie - potrafimy określić ogólną klasę obiektu.
identyfikacja - rozpoznajemy szczegóły pozwalające określić konkretny typ.

Zasięg marketingowy nie mówi wszystkiego

Duży "detection range" może oznaczać tylko możliwość zauważenia małej plamki termicznej.
 
Nie oznacza automatycznie szczegółowego rozpoznania obiektu na tej samej odległości.

Rozdzielczość przestrzenna

Do praktycznej oceny liczy się:
 
• ile pikseli detektora przypada na obiekt,
• jak duży kąt widzi jeden piksel.

IFOV

Instantaneous Field of View opisuje kąt przypadający na pojedynczy piksel.
 
Mniejszy IFOV oznacza:
 
• drobniejsze próbkowanie przestrzenne.

IFOV zależy od piksela i ogniskowej

W uproszczeniu:
 
IFOV ≈ pixel pitch / focal length.
 
Dłuższa ogniskowa i mniejszy piksel dają mniejszy kąt na piksel.

Światłosiła

Obiektywy termowizyjne mają własny parametr f/#.
 
Niższa wartość:
 
• przepuszcza większy stożek promieniowania,
• może poprawić ilość sygnału docierającego do detektora.

F/1.0

Jest bardzo częstą wartością w termowizji niechłodzonej.
 
Optyka LWIR o dużej aperturze jest kosztowna, dlatego średnica obiektywu ma duży wpływ na cenę urządzenia.

Focus

Niektóre termowizory mają:
 
• focus stały,
• ręczny focus,
• autofocus.
 
Przy długiej ogniskowej precyzyjne ustawienie ostrości staje się bardzo ważne.

Stały focus

Sprawdza się w:
 
• kompaktowych urządzeniach,
• krótkich ogniskowych,
• szerokim polu.

Ręczny focus

Pozwala optymalnie ustawić ostrość na:
 
• bliski obiekt,
• daleki obiekt.
 
Jest szczególnie przydatny przy większych obiektywach.

Obraz termiczny a krawędzie

Krawędzie widoczne są wtedy, gdy występuje różnica sygnału cieplnego.
 
Dwa sąsiadujące materiały o identycznej temperaturze i podobnej emisyjności mogą być trudne do rozróżnienia.

Termowizor nie widzi koloru ubrania

Czerwona i zielona tkanina mogą wyglądać termicznie niemal identycznie, jeśli mają:
 
• podobną temperaturę,
• podobną emisyjność.

Termowizja a noktowizja

Noktowizja wzmacnia albo rejestruje światło odbite od obiektu.
 
Termowizja rejestruje głównie emisję cieplną w podczerwieni.
 
Dlatego oba systemy zachowują się zupełnie inaczej.

Noktowizja może potrzebować iluminatora IR

W całkowitej ciemności cyfrowa noktowizja często korzysta z dodatkowego oświetlenia podczerwonego.
 
Termowizor:
 
nie potrzebuje iluminatora.

Termowizor a las

Roślinność może zasłaniać obiekt.
 
Termowizja może wykazać fragmenty cieplejszego obiektu pomiędzy:
 
• gałęziami,
• liśćmi,
 
ale nie widzi przez gęsty las jak przez przezroczystą przesłonę.

Termowizor a ściana

Nie pokazuje osoby po drugiej stronie pełnej ściany.
 
Może natomiast wykryć:
 
• różnicę temperatury powierzchni ściany,
 
jeśli ciepło przewodzi przez materiał.

Termowizor a dym

LWIR może w niektórych warunkach lepiej przenikać przez część dymu niż światło widzialne.
 
Skuteczność zależy jednak od:
 
• gęstości,
• składu,
• temperatury dymu.

Termowizja a słońce

Słońce silnie nagrzewa powierzchnie.
 
Po południu wiele obiektów może mieć podobną lub wyższą temperaturę niż obserwowany cel.
 
Dlatego obraz termiczny w dzień może wyglądać zupełnie inaczej niż nocą.

Automatyczne ulepszanie obrazu

Nowoczesne termowizory stosują:
 
• lokalne zwiększanie kontrastu,
• redukcję szumu,
• wyostrzanie,
• temporal filtering.

Algorytm może poprawić czytelność, ale nie fizykę

Software może:
 
• poprawić wygląd,
 
ale nie odtworzy szczegółu, którego detektor nigdy nie zarejestrował.

Tabela: najważniejsze parametry termowizora

Parametr	Co mówi?
Rozdzielczość detektora	Liczba realnych pikseli termicznych.
NETD	Czułość na małe różnice temperatur.
Pixel pitch	Rozmiar / odstęp pojedynczego piksela.
Ogniskowa	Pole widzenia i skala obrazu.
f/#	Apertura optyki i ilość sygnału.
Hz	Płynność obrazu.
FOV	Szerokość obserwowanego pola.

Tabela: co naprawdę wpływa na szczegół?

Cecha	Wpływ
Więcej pikseli detektora	Więcej detalu przestrzennego.
Dłuższa ogniskowa	Większa skala odległego obiektu.
Niższy NETD	Lepsze subtelne różnice termiczne.
Cyfrowy zoom	Większy obraz, bez nowych pikseli termicznych.
Lepszy wyświetlacz	Lepsza prezentacja, nie większa rozdzielczość detektora.

Tabela: częste mity

Mit	Jak jest naprawdę?
Termowizor widzi przez ściany	Widzi temperaturę powierzchni.
Widzi przez szybę	Szkło blokuje LWIR; widoczne są powierzchnia i odbicia.
Zoom 8× daje 8× więcej detalu	Cyfrowy zoom nie zwiększa rozdzielczości.
Każdy jasny obiekt jest gorący	Jasność zależy od palety, AGC, emisyjności i odbić.
Termowizja działa idealnie w każdej pogodzie	Mgła, deszcz i wilgotność ograniczają sygnał.

Jak czytać specyfikację - procedura

1. Sprawdź realną rozdzielczość detektora.
2. Sprawdź pixel pitch.
3. Porównaj NETD.
4. Sprawdź ogniskową i FOV.
5. Sprawdź światłosiłę obiektywu.
6. Sprawdź częstotliwość odświeżania.
7. Oddziel parametry sensora od parametrów wyświetlacza.
8. Traktuj zasięg detekcji jako inny parametr niż identyfikacja.

Najczęstsze błędy przy ocenie termowizora

• porównywanie wyłącznie po "zasięgu",
• mylenie rozdzielczości ekranu z detektorem,
• traktowanie cyfrowego zoomu jak optycznego,
• ignorowanie NETD,
• ignorowanie ogniskowej i FOV,
• zakładanie, że niższy pixel pitch zawsze wygrywa,
• pomijanie wpływu pogody,
• interpretowanie odbicia od metalu jako temperatury metalu,
• zakładanie, że termowizor mierzy temperaturę równie łatwo, jak wykrywa obiekt.

Najważniejszy wniosek

Termowizor tworzy obraz nie z widzialnego światła, lecz z promieniowania podczerwonego emitowanego i odbijanego przez scenę.
 
Najważniejsze elementy systemu to:
 
1. detektor mikrobolometryczny,
2. optyka LWIR,
3. NETD,
4. rozdzielczość i pixel pitch,
5. ogniskowa i pole widzenia,
6. algorytmy kalibracji i prezentacji obrazu.
 
Dobra termowizja nie polega na tym, aby obraz był tylko "ładny". Najważniejsze jest, ile realnej informacji termicznej dociera do detektora i jak dobrze urządzenie potrafi ją rozróżnić.
 
Dalsze artykuły: Jak wybrać termowizor?, Noktowizja czy termowizja?, Słownik termowizyjny, Parametry termowizorów oraz Termowizja pomiarowa.