Что такое термальная съемка?

Эта статья рассказывает об основных понятиях термальной съемки, а также о практике применения термальной камеры на беспилотном аппарате.

Что в реальности означает термальная съемка для Ваших миссий и что нужно учитывать при использовании этой технологии?

Мы немного расскажем об основных моментах:

1. Что такое термальная съемка?
2. Что означают различные цвета?
3. Что такое изотерм?
4. Поле зрения и разрешение тепловизора
5. Как далеко можно видеть?
6. Как окружающая среда может повлиять на результаты?

Что такое термальная съемка?

Термальные камеры позволяют людям видеть то, что не могут видеть их глаза. Невидимое тепловое излучение или отраженное объектами вне зависимости от условий освещения.

Инфракрасный спектр - это часть электромагнитного спектра. Он находится вокруг нас постоянно, но невидим невооруженным глазом, кроме небольшого диапазона в середине спектра, называемого видимым светом.

Наши глаза видят только отраженный от поверхности свет. Он отражается с разной длиной волны, поэтому мы видим разные цвета. Но термальная энергия может не только отражаться но и излучаться.

Когда говорят о том, насколько эффективно объект отдает термальную энергию имеют ввиду его излучение. Разные объекты отдают энергию по-разном и это зависит от многих факторов, таких как материал или состояние поверхности.

Такие объекты как люди, животные или скалы имеют высокую отдачу, в то время как блестящие металлы, например, низкую, но все меняется, если они покрашены или покрыты коррозией.

Когда два объекта находятся рядом, имеют близкую температуру, но разную теплоотдачу - они будут выглядеть по-разному при съемке термальной камерой.

Например крыша слева - это новый неокрашенный кусок и он отражает холодное небо.

Зная это необходимо помнить несколько вещей

1. Термальная энергия является поверхностным явлением и термальные камеры не могут видеть через стекло или стены
2. Результаты термальной съемки зависят от таких факторов как состояние поверхности и насколько близок снимаемый объект
3. Важно понимать, что термальные камеры могут измерять разницу в излучаемой энергии, но не температуру.

Что означают различные цвета при тепловизионной съемке?

Различные цветовые схемы используются для изображения различных тепловых изображений. Поскольку инфракрасная / тепловая энергия невидима невооруженным глазом, для отображения используются абстрактные цвета для создания изображения энергии, которую мы не можем видеть.

Эти яркие цвета или детали в оттенках серого представляют очень специфический и очень большой набор данных. Понимание того, что они показывают и как их лучше использовать в полевых условиях, позволяет пользователям обнаруживать и интерпретировать интересующие объекты.

Основные цветовые палитры - это

• White hot (отображение горячего белым)

Черно-белая палитра упрощает отображение и понимание изображений с широким температурным разбросом, такое отображение удобно при исследовании природных ландшафтов или городских пространств

• Black Hot (отображение горячего черным)

Это инвертированная версия White Hot, отображающая теплые объекты черным, а холодные белым. 

Наиболее часто используется охотниками или полицией.

Есть также и другие способы отображения

• Ironbow

Универсальная палитра, позволяющая быстро определить тепловые аномалии и температуру тела, использует цвет, чтобы показать распределение тепла и тонкие детали, отображая теплые участки теплыми цветами, а более холодные - холодными оттенками в синем спектре.

Существуют также и менее популярные варианты Sepia, отображающая тепло золотым и белым, а холодное - темным и черным, считается, что такой вариант менее утомляет глаза и мозг, предпочтителен когда требуется длительное наблюдение. Rainbow HC - подходит для случаев, где разница температур очень мала и Arctic, где теплое подсвечивается золотым, а холодное - голубым и является сочетанием Ironbow и Rainbow HC.

Когда доходит до выбора способа отображения не существует верного ответа какой предпочтительнее - некоторым кажется, что White Hot не дает достаточно деталей, а кто-то считает многоцветные изображения отвлекающими.

В целом - White Hot и Dark Hot - предпочтительнее для поиска маленьких нагретых поверхностей или при работе в сложных условиях с высокой температурой и влажностью.

С другой стороны, варианты типа Ironbow - это  это универсальные цветовые палитры, особенно при обследовании крыш, солнечных панелей или электрического оборудования, в то время как Arctic разработан для усиления контрастных цветов.

Что такое изотерм?

Цель изотермы состоит в том, чтобы выделить все, что выше определенного температурного порога, чтобы термограф не пропустил объект.

Однако не стоит полагаться исключительно на изотермы. Например, если человек, которого вы ищете, стоит рядом со скалой или деревом, которое выделяет примерно такое же количество энергии, изотерм может фактически скрыть объект.

Стоит подстраховаться используя Black Hot и White Hot. Изотермы могут быть использованы в такой комбинации, но не стоит полагаться только на изотермическое изображение.

Поле зрения и разрешение тепловизоров для квадрокоптеров

Если Вы думаете над тем, какое разрешение и объектив Вам нужен - ответ не так прост как можно подумать.

Более высокое разрешение камеры означает большее количество доступных Вам пикселей, что дает более детализацию, в то время как маленький объектив (более широкоугольный) - большее количество обозреваемого пространства, захватываемого этими пикселями, что может наоборот снизить удобство поиска. Задача состоит в поиске оптимального соотношения детализации и захватываемой площади и увеличением.

Первый пример - объектив 9мм. слева камера с разрешением 336х256 и полем зрения  35° x 27°, а справа 640х480 и FOV 69° x 56°. Сравните что происходит, когда камера отдаляется 

Близко

дальше

еще дальше

совсем далеко

Как можно заметить, при разрешении 640 мы имеем больший охват, но как только мы отдаляемся становится сложно что-то разобрать

Это показывает, что существует компромисс между детализацией изображения и полем зрения и увеличением и диапазоном обнаружения.

Следующий пример аналогичный, но 640 теперь имеет меньший угол зрения - 32° x 26° FOV (справа)

Близко

Дальше

еще дальше

совсем далеко

В этом примере FOV меньше, объект виден намного дальше на 640.

Последний пример показывает разрешение 640, но с линзами 9мм (слева), 13 мм (центр) и 19мм (справа). Это дает вам хорошее представление о компромиссе между областью, которую вы можете охватить, и диапазоном, в котором вы можете различать объекты при данном разрешении.

близко

дальше

еще дальше

Как далеко я могу видеть?

Как далеко я могу видеть и насколько высоко я могу летать - это 2 важных вопроса при использовании дронов.

Можно разбить ответ на 2 части - как далеко я могу находиться, чтобы заметить объект или как далеко для того, чтобы измерить его температуру?

Для того, чтобы определить расстояние нужно учитывать такие факторы как:

• размер объекта
• как много тепловой энергии он излучает
• атмосферные условия
• разница температуры между объектом и окружением

Но в случае, если речь идет о точных измерениях, главное что нужно знать - не достаточно просто видеть объект, чтобы измерить температуру.

И вот 3 вещи, которые надо учитывать при съемке - Фокус, Диапазон, Расстояние

• Фокус: фокусное расстояние объектива камеры
• Диапазон: диапазон чувствительности камеры. Необходимо учитывать при подготовке
• Дистанция: расстояние от камеры до интересующего объекта - не только высота над землей. В поиске и общественной безопасности, Вам нужно знать размер цели, которую вы ищете, и планировать свой полет так, чтобы угол обзора, высота и расстояние поискового шаблона были продуманными заранее, иначе объект будет невозможно обнаружить.

Для термографа важно планировать полет опираясь на “измерительное поле зрения” камеры - MFOV.

Dave Lee из FLIR объясняет так: “MFOV - это не один пиксель, как думают многие люди. В реальности это квадрат 5х5 пикселей. Чтобы получить точное изменение, Ваш объект должен заполнить или даже выйти за пределы пятна 5х5 пикселей”.

Он также добавляет: “Если MFOV больше, чем объект, который Вы хотите измерить, Ваши данные будут искажены, потому что они будут включать энергию примыкающих объектов, а не только то, что вы пытаетесь измерить”.

Насколько важна погода или окружающая среда для дрона с тепловизором?

Когда дело доходит до использования дрона с тепловизионной камерой, важно знать, как будут различаться поисковые миссии и промышленная инспекция.

Термографы, проводящие инспекции, как правило, наблюдают за известными областями или структурами, которые могут быть намного меньше, чем те, с которыми приходится иметь дело спасателям, потому что, например, поисково-спасательные миссии обычно включают поиск маленькой цели на больших пространствах.

Важно помнить, для операций в сфере общественной безопасности количество тепловой энергии и то, где она находится, может играть решающую роль.

Ключом к этому является понимание того, как окружающая среда влияет на то, что Вы видите. И есть три взаимосвязанных фактора окружающей среды, о которых следует помнить:

• Дневной цикл
• Солнечная нагрузка
• Тепловой кроссовер (пересечение)

Дневной цикл - это ежедневный процесс, когда солнце встает и садится. Чем дольше солнце на небе и чем чище небо, тем больше тепла получает поверхность и объекты на земле.

Когда солнце садится, накопленное тепло отдается обратно в атмосферу.

Чем больше солнечной энергии поглощается, тем труднее разобрать вещи на земле. Это называется солнечная нагрузка.

По мере того как область на которую вы смотрите, поглощает все больше и больше излучения, разница в температуре между интересующим объектом и его окружением становится все меньше и меньше.

Когда область нагружена солнечной энергией, может быть очень трудно отличить одну вещь от другой - как показано на этом рисунке. Зеленая стрелка указывает местонахождение человека, но, как показывает изображение, не всегда легко найти объект на таком изображении.

И именно здесь начинается тепловое пересечение. Тепловое пересечение происходит, когда видимая разница температур между интересующим объектом и ближайшим окружением уменьшается до такой степени, что камера не может различить их.

В некоторых случаях то, что выглядит теплым на прохладном фоне, может оказаться холодным на теплом фоне.

Важно помнить, что тепловая энергия и температура - это не одно и то же, и то, как температура окружающей среды ощущается для Вас, не обязательно будет выглядеть как тепловая.

Учет погоды является еще одним важным фактором. Погода, особенно влажность (облачность, туман, дождь и влажность), могут влиять на то, как будут выглядеть Ваши тепловые изображения и как тепловые условия будут меняться днем и ночью.

Влага в атмосфере будет поглощать / рассеивать тепловую энергию, уменьшая дальность обнаружения, блокируя поступление энергии от объекта к камере.

Чем выше влажность, тем больше эффект. Дождь является крайним примером этого, потому что он снижает температуру между объектами.

Несмотря на то, что в краткосрочной перспективе это может усложнить наблюдение, после окончания дождя наоборот объекты, которые выделяют тепло становится видно лучше, например людей, на цветном фоне.

Как можно использовать термальную камеру на дроне?

Ответ довольно простой - использование дрона с тепловизионной камерой (например Mavic 2 Enterprise Dual или Matrice 210 + тепловизор XT2) может быть очень важным для миссий где речь идет о разнице между жизнью и смертью. 

Вот лишь некоторые области, где дрон с ИК камерой может помочь:

• Поиск пропавших людей
• Наблюдение за толпой
• Соблюдение правопорядка
• Борьба с огнем
• Промышленная инспекция

Беспилотный аппарат с тепловой камерой может значительно увеличить эффективность, безопасность и снизить стоимость.

Явным преимуществом является тот факт, что беспилотник может покрывать большие площади быстрее и добавлять вид с высоты - часто добавляя очень важные данные. Это, в свою очередь, позволяет операторам принимать стратегические решения в режиме реального времени, часто вдали от опасной зоны, а также следить за другими участниками операции.

Для полиции объединение тепловых технологий с беспилотником позволяет сотрудникам искать пропавших людей или беглецов, собирать улики и следить за толпами, а пожарные получают возможность обнаруживать горячие точки и получать ценную информацию о состоянии кровли, пути движения огня и эффективности тушения пожара. Тепловая камера также может видеть сквозь дым, как показано на ниже.

Если говорить о технической инспекции, дрон оснащенный термальной камерой может также играть важную роль:

• Стоимость: тепловые и обычные камеры могут быть более рентабельными, чем другие методы контроля, как с точки зрения эксплуатационных расходов, так и требуемого времени.
• Быстрый результат: в отличие от других методов, беспилотники обеспечивают немедленное получение изображений, обеспечивая меньшее время простоя и повышенную надежность.

Тепловые камеры могут также использоваться для осмотра зданий, позволяя увидеть утечки тепла, воду на крыше, внешние электрические проблемы, проблемы с остеклением и многие другие проблемы конструкции или кровли. Возьмите всего один дрон и Вы сможете за несколько минут исследовать всю крышу, где с обычным тепловизором могут уйти дни или даже недели для обследования.

При проведении осмотра крыши оператор должен учитывать ряд факторов, в том числе время суток, погоду и параметры полета, такие как высота над крышей, угол обзора камеры и скорость дрона.

Дроны с тепловизионными камерами:

• DJI Mavic 2 Enterprise Dual;
• DJI Matrice 200/210/210-RTK с тепловизорами серии XT2;
• DJI Matrice 600 Pro, DJI Matrice 100, DJI Inspire 1 с тепловизорами серии XT;

Оригинал статьи можно найти тут.