Nie tak dawno jeszcze wykorzystanie kamer termowizyjnych było sporadyczne. Największą grupę ich użytkowników stanowiła armia. Instalowano je również w obiektach strategicznych, w których wymagana jest najwyższa skuteczność systemów zabezpieczeń. Główną barierą w powszechnym użytkowaniu kamer termowizyjnych była ich cena, która wielokrotnie przewyższała koszt zakupu tradycyjnych kamer.
Jeszcze kilka lat temu, ze względu na cenę, nawet najprostsza tego typu kamera była poza zasięgiem większości z nas. Zakres zastosowań termowizji poszerza się z roku na rok. Obecnie jesteśmy już w takim momencie rozwoju technologii, że posiadaczem kamery termowizyjnej może być już praktycznie każdy. Przykładowo bardzo popularne jest stosowanie kamer termowizyjnych w ocenie energetycznej budynków i wystawianie na ich podstawie odpowiednich certyfikatów. Jest to narzędzie, które do tego typu zastosowań sprawdza się idealnie. Daje wynik bardzo szybko, do tego dokładny i pozwalający na natychmiastową interpretację. Dodatkowo termowizja wykorzystywana jest m.in. w diagnozowaniu pacjentów chorych na raka, przez straż pożarną, statki do nawigacji w trudnych warunkach atmosferycznych, w motoryzacji, w automatyce przemysłowej do diagnozowania stanu urządzeń, a także w zastosowaniach rekreacyjnych, takich jak choćby żeglarstwo czy myślistwo. Na rynku pojawiły się już nawet kamery termowizyjne stanowiące akcesoria dla telefonów komórkowych.
Coraz powszechniejsze zastosowanie termowizji, ma bardzo pozytywny wpływ na rozwój tej technologii. Po pierwsze producenci mogą czerpać doświadczenia z różnych obszarów użytkowania i udoskonalać przez to swoje rozwiązania. Po drugie, ciągły wzrost sprzedaży przekłada się na zwiększanie produkcji, a to pozwala na obniżanie cen produktów. To rozpoczęcie instalacji kamer termowizyjnych w samochodach osobowych sprawiło, że produkcja takich kamer stała się produkcją masową. Teraz kamera termowizyjna w cenie 350 USD jest rozwiązaniem naprawdę dostępnym dla każdego.
Jak wybrać właściwą kamerę termowizyjną do ochrony?
Zakup właściwego rozwiązania termowizyjnego jest dużym wyzwaniem, szczególnie dla osób, które nie mają doświadczenia w tym zakresie. Choć w ciągu ostatnich lat redukcja cen była bardzo znacząca, zawsze warto kupić produkt, który oferuje najlepszy stosunek jakości do ceny. Niektórzy przy wyborze konkretnego rozwiązania kierują się wielkością budżetu, a dla innych kluczowe są techniczne parametry sprzętu. Bez względu na to z jakiego segmentu cenowego wybieramy produkt, zawsze powinniśmy być pewni jego jakości, niezawodności oraz możliwości uzyskania wsparcia technicznego. Oferta kamer termowizyjnych dostępnych na rynku jest bardzo szeroka począwszy od najprostszej aparatury pomiarowej po kamery HD oferujące wyjątkowo wysoką szczegółowość obrazu.
Jakie są zatem najważniejsze parametry techniczne? Na co należy zwrócić szczególną uwagę wybierając kamerę termowizyjną do ochrony?
Rozdzielczość przetwornika = jakość obrazu
Podobnie jak w przypadku tradycyjnych kamer, tak samo w przypadku kamer termowizyjnych należy wybrać kamerę o odpowiedniej rozdzielczości. Zasada jaką należy się tu kierować jest prosta. Należy kupić kamerę o najwyższej rozdzielczości, na jaką możemy sobie pozwolić przy założonym budżecie. Większość kamer termowizyjnych posiada rozdzielczość znacznie niższą niż kamery tradycyjne. Rozdzielczość kamer termowizyjnych ma bezpośrednie przełożenie na uzyskiwaną szczegółowość obrazu oraz dystans, z jakiego kamera może wykryć obiekt zainteresowania. W przypadku kamer termowizyjnych najpopularniejsze są kamery w rozdzielczości 320 x 240 px oraz 640 x 480 px. W projektach ekonomicznych zastosowanie znajdą również kamery o rozdzielczości 80 x 60 px oraz 160 x 120 px. Przykładowo kamera o rozdzielczości 80 x 60 px pozwala na detekcję obiektu w odległości 40 m od kamery.
Rodzaj przetwornika termowizyjnego
Rozdzielczość matrycy to nie jedyny istotny parametr przekładający się na jakość obrazu z kamery termowizyjnej. Należy także zwrócić szczególną uwagę na rodzaj przetwornika termowizyjnego jaki znajduje się wewnątrz kamery. Przetworniki w kamerach termowizyjnych są specjalnymi detektorami pozwalającymi na detekcję fal wybranego spektrum podczerwieni. Można wyróżnić dwa podstawowe typy detektorów: chłodzone lub niechłodzone.
Detektory chłodzone wykorzystywane są w kamerach, w których istotny jest bardzo duży zasięg detekcji obiektów, np. 15 km. Najczęściej stosowane są jednak detektory niechłodzone. Są to mikrobolometry wykonane w różnych technologiach. Jako materiał wykrywający podczerwień zwykle wykorzystywany jest amorficzny krzem lub tlenek wanadu, czyli VOx lub BST (Tytanian baru strontu). Obecnie technologią, która ma największy udział w rynku jest technologia VOx. Dzieje się tak z kilku powodów. W tej technologii udaje się znacząco obniżać jej koszty, co przekłada się na jej popularyzację.
W segmencie kamer niechłodzonych, jeśli chodzi o jakość obrazu, technologia VOx jest póki co bezkonkurencyjna. Dodatkowo kamery wyposażone w przetwornik typu VOx mogą patrzeć bezpośrednio na słońce, dzięki czemu nie ma żadnych ograniczeń przy projektowaniu systemów bezpieczeństwa. Warto w tym miejscu zwrócić także uwagę na parametr techniczny, jakim jest wielkość piksela na przetworniku. W kamerach wykonywanych w technologii BST wielkość piksela na detektorze to 50 mikronów. W przypadku technologii VOx wielkość piksela to 15 mikronów. Przy tej wielkości piksela uzyskuje się obraz najwyższej jakości. Mniejszy piksel pozwala na produkcję mniejszych przetworników VOx w porównaniu do BST.
NETD – czułość detektora, im niższa tym lepiej < 50 mK
Kiedy wybierzemy już w jakiej technologii ma być wykonany przetwornik termowizyjny, następnie należy przyjrzeć się jego charakterystyce. Każdy z przetworników charakteryzuje się swoją wartością parametru NETD (noise-equivalent temperature difference). Parametr ten jest miarą czułości detektora na wybrane pasmo widma elektromagnetycznego. W przypadku kamery termowizyjnej istotna jest oczywiście czułość na podczerwień. Wartość NETD mówi jaka ilość promieniowania jest potrzebna, aby stosunek sygnału do szumu był równy jeden. Wartość parametru NETD wyraża się w milikelwinach. W przypadku niechłodzonych przetworników obrazu wartość NETD zazwyczaj wynosi od 50 do 100 mK. Oczywiście im wartość NETD jest niższa, tym przetwornik obrazu posiada wyższą czułość termiczną. Dzięki temu możliwe jest zobrazowanie mniejszych różnic temperatur. Przykładowo kamera z parametrem NETD na poziomie 50 mK może zobrazować różnicę temperatur wynoszącą 0,05 °C. W przypadku kamer chłodzonych parametr NETD jest jeszcze niższy i wynosi zazwyczaj od 20 do 30 mK.
Jakie przełożenie praktyczne ma parametr NETD na rzeczywiste użytkowanie kamery termowizyjnej? Jeśli porównamy dla przykładu dwie kamery z takim samym obiektywem i o tej samej rozdzielczości jednak z różnym parametrem NETD: 50 mK i 70 mK, to oczywiście kamera z niższym parametrem, charakteryzuje się lepszym, bardziej czułym przetwornikiem. Najważniejszą korzyścią z tego płynącą jest fakt, że kamera z przetwornikiem 50 mK będzie oferowała obraz wyższej jakości i dużo bardziej skontrastowany. Łatwiejsze będzie zauważenie na obrazie nawet niewielkich różnic temperatur. Ma to szczególne znaczenie, kiedy temperatura obserwowanego obiektu jest zbliżona do temperatury otoczenia. Taka sytuacja ma często miejsce np. w lecie, kiedy temperatura ciała może być zbliżona do temperatury otoczenia. Wówczas wysoka rozdzielczość temperaturowa jest szczególnie istotna. Ma to także praktyczne przełożenie, kiedy do detekcji obiektów wykorzystywane są algorytmy inteligentnej detekcji. Jeśli skontrastowanie obiektów jest zbyt niskie trudno będzie można dostrzec poruszający się obiekt i algorytm detekcji może nie zadziałać w sposób prawidłowy. Dlatego lepiej wyeliminować takie ryzyko poprzez wybranie kamer wyższej jakości.
Obiektyw = zakres obserwacji kamery
Istotną częścią całej kamery jest również obiektyw znajdujący się przed termowizyjnym przetwornikiem obrazu. W przypadku wyboru kamer z przetwornikiem VOx wielkość stosowanego obiektywu może być znacznie mniejsza niż w przypadku kamer wykonanych w technologii BST lub amorficznego krzemu. Zmniejszanie wielkości obiektywu jest bardzo istotnym czynnikiem ekonomicznym, ponieważ przekłada się na obniżenie ceny całej kamery. Najczęściej do produkcji obiektywów wykorzystywany jest german, siarczek cynku lub selenek cynku. Obiektywy nie mogą być tradycyjnymi obiektywami szklanymi, ponieważ podczerwień nie przenika przez szkło kwarcowe. Obecnie najczęściej stosowanymi obiektywami są obiektywy germanowe. German jest pierwiastkiem drogim. Zatem im mniejsza powierzchnia obiektywu tym niższy koszt kamery.
Analiza obrazu wbudowana w kamerę
Poza istotnymi parametrami technicznymi związanymi z fizyczną budową kamer warto zwrócić także uwagę na oprogramowanie samej kamery. Wcześniej analityka obrazu zawsze musiała się odbywać w centralnych punktach systemu zabezpieczeń, takich jak np. rejestrator czy specjalne oprogramowanie na komputerze. Obecnie inteligentna analiza obrazu coraz częściej znajduje się w samej kamerze. W tym przypadku należy zwrócić uwagę, czy oferowana detekcja ruchu to wyłącznie prosta detekcja ruchu VMD czy algorytm pozwalający na odpowiednią jego kalibrację w przestrzeni 3D i sparametryzowanie obiektów zainteresowania. Tylko bardziej złożone algorytmy wizyjne dadzą zadawalające rezultaty detekcji obiektów przy zachowaniu niskiego progu fałszywych alarmów. Jeśli to możliwe, zawsze najlepiej wypożyczyć kamerę przed zakupem i przeprowadzić odpowiednie testy i zweryfikować jej działanie.
Kamery termowizyjne umożliwiają obserwację w całkowitej ciemności poprzez dym, kurz, a nawet mgłę, umożliwiając monitoring w każdych warunkach atmosferycznych. Choć technologia termowizyjna jest coraz tańsza i bardziej dostępna, to zawsze trzeba pamiętać o wyborze rozwiązań najwyższej jakości, które spełnią nasze oczekiwania. Punktem wyjścia w doborze danego rozwiązania są nasze potrzeby związane z systemem zabezpieczeń, a w ich konsekwencji parametry techniczne danego rozwiązania, które umożliwią zrealizowanie naszych oczekiwań. Nie ma wątpliwości, że termowizja ma bardzo duży potencjał, a możliwości jej zastosowań są praktycznie nieograniczone.
Literatura:
https://en.wikipedia.org/wiki/Johnson%27s_criteria
http://liteye.com/thermal-cores--oem.html
http://www.ndt.net/article/wcndt2004/pdf/thermography_thermal_techniques/183_pushkina.pdf
Artykuł firmy Linc Polska Sp. z o.o.
Jakub Sobek – Linc Polska Sp. z o.o.
