Termowizja oraz analityka obrazu są znane od lat, jednak dla wielu wciaż skrywają tajemnice.

W jaki sposób kamera termowizyjna „widzi” promieniowanie podczerwone?

Termowizja jest metodą obrazowania rozkładu temperatury obserwowanych obiektów, wykorzystującą detekcję promieniowania podczerwonego. W uproszczeniu, kamera termowizyjna jest rodzajem termometru działającego na odległość. Mierząc różnice temperatur na powierzchni obserwowanych obiektów, termowizja tworzy 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.

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 mieszczącym się pomiędzy światłem widzialnym a falami radiowymi. Ze względu na charakterystykę przepuszczalności powietrza zależną od długości fali, producenci kamer termowizyjnych wykorzystują głównie zakres LWIR (ok. 8 – 14 um), który ulega nieznacznemu tłumieniu w powietrzu. W odróżnieniu od zwykłych kamer wizyjnych, kamera termowizyjna posiada detektor promieniowania podczerwonego. Innymi słowy, przetworniki CMOS/CCD stosowane w kamerach wizyjnych wykrywają fotony promieniowania widzialnego (lub też bliskiej podczerwieni, np. z oświetlaczy IR), które po odbiciu od obserwowanych obiektów docierają do przetwornika. Natomiast kamera termowizyjna jest wyposażona w detektor, z reguły jest to niechłodzona matryca bolometryczna, której zadaniem jest pomiar temperatury docierającego do kamery promieniowania cieplnego wyemitowanego (nie odbitego!) przez obiekt. Padające promieniowanie jest absorbowane w materiale detektora, co powoduje podniesienie temperatury elementów matrycy bolometrycznej i zmianę ich rezystancji.

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.

Co stanowi o wyższości kamery termowizyjnej w systemie monitoringu ?

Kamera termowizyjna do uzyskania obrazu nie wymaga żadnego 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. Równie skutecznie działa latem w pełnym słońcu, gdyż wykrywa nawet najmniejsze różnice temperatury pomiędzy tłem i obiektami znajdującymi się w zasięgu obserwacji.

Opisane właściwości termowizji sprawiają, że znajduje ona szerokie zastosowanie w systemach ochrony zewnętrznej (tzw. obwodowej). Kamery termowizyjne stosuje się do monitorowania rozległych terenów, placów magazynowych, parkingów, obszarów o słabej lub „zerowej” widoczności dla tradycyjnych kamer, w terenach zalesionych, w przemyśle, transporcie itd. Są niezastąpione i najskuteczniejsze w sytuacjach, gdy nie ma konieczności identyfikacji obiektów, a 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 i jednocześnie dyskretną detekcję potencjalnych intruzów bez konieczności doświetlania obszarów monitorowanych.

Jakie korzyści zapewnia kamera termowizyjna z technologią analizy wizji?

Określenie „analityka wizji” zostało w ostatnim czasie uogólnione, nadużywa się tego terminu do celów marketingowych, stosując nawet w kontekście najprostszych rozwiązań nieznacznie odbiegających od zwykłej detekcji ruchu. Klient ma bardzo utrudnione zadanie, stojąc przed wyborem zakupu analityki obrazu tego czy innego producenta. Brak norm i uregulowań mogących stanowić zasadnicze narzędzie do klasyfikacji czy oceny jakościowej analityki spowodowało swobodę w zakresie propagandy marketingowej. Tymczasem wystarczy przeprowadzenie rzetelnego testu w rzeczywistych (nie laboratoryjnych!) warunkach, aby się przekonać, jaki poziom jakości (czytaj: skuteczności) prezentuje badany algorytm analityki. Zachęcam również do zwrócenia uwagi na różnice, jakie prezentuje analityka 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 analityki 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 wykryte i bezbłędnie śledzone przez analitykę. Wykrycie i sklasyfikowanie obiektu jako zagrożenia (np. człowiek >> ALARMUJ, zwierzę >> IGNORUJ) powoduje natychmiastowe powiadomienie o alarmie, nie generując przy tym alarmów fałszywych. Bezbłędne wykrycie realnego zagrożenia i natychmiastowa reakcja stanowią kluczową zaletę termowizji połączonej z analityką. Narząd wzroku operatora wykorzystywany dotychczas jako podstawowe i często jedyne narzędzie do wykrywania sytuacji alarmowych, może być teraz wyręczony z konieczności ciągłej obserwacji obrazu wideo.

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.

Tekst: Krzysztof Skowroński, CBC Poland Branch Manager

Artykuł ukazał się na łamach A&S Polska, wyd. 2/2018