THE MAIN PARAMETERS OF THERMAL IMAGING DEVICES

PAGRINDINIAI TERMINIO VAIZDO PRIETAISŲ PARAMETRAI

Šiluminio jutiklio (mikrobolometro) skiriamoji geba yra svarbus jutiklio kokybės vertinimo parametras. Tai jautrių elementų (pikselių), sudarančių jutiklį, skaičius. Jutikliai, turintys daug pikselių, gali sukurti aiškesnį objekto vaizdą.

Standartiniai terminio vaizdo jutiklių dydžiai:

Pikselių tankis
Pikselių tankis yra atstumas tarp dviejų mikrobolometro pikselių centrų. Terminio vaizdo jutikliuose jis matuojamas mikronais (µm).

Užpildymo koeficientas
Užpildymo koeficientas yra visų pikselių jautraus paviršiaus ir bendro pikselių ploto santykis. Jutikliai, turintys didesnį užpildymo koeficientą, gali sugerti didesnį energijos kiekį.

Priartinimas
Priartinimo vertė rodo, kiek kartų stebimas vaizdas (naudojant optinį įrenginį) yra didesnis, palyginti su plika akimi stebimu objektu. Matavimo vienetas yra didinamoji galia („x“ simbolis, pvz., 2x – „2x galia“).

Termovizorinių įrenginių tipinės vertės yra nuo 1x iki 5x, nes pagrindinė naktinio matymo vienetų užduotis yra objektų aptykimas ir atpažinimas prasto apšvietimo sąlygomis. Priartinus šiluminio vaizdo įrenginių vaizdą, žymiai sumažėja objektyvo greitis (arba santykinė diafragma), o tai lemia reikšmingą kontrasto sumažėjimą fono atžvilgiu. Objektyvo greičio sumažėjimą, priartinus vaizdą, galima kompensuoti padidinant šviesos diafragmą, tačiau tai, savo ruožtu, lems bendrą įrenginio matmenų, svorio ir optikos dizaino komplikacijų padidėjimą. Visi šie veiksniai sumažina įrenginių naudojimo komfortą ir žymiai padidina termovizorių kainą.

Komfortas termovizoriniui taikikliui yra labai svarbu, nes šaulys turi jį laikyti rankose, kartu su ginklu. Didelis priartinimas taip pat sukelia sunkumų ieškant tikslo ir stebint, ypač jei taikinys juda, nes priartinimas sumažina matymo lauką.

Priartinimą apibrėžia objektyvo lęšio ir okuliaro židinio nuotolis, bei mastelio keitimo koeficientas (K), lygus ekrano ir jutiklio fizinių dydžių (įstrižainių) santykiui:

Kur:
f objektyvas – objektyvo židinio nuotolis
f okuliaras – okuliaro židinio nuotolis
L ekranas – ekrano įstrižainės dydis
L jutiklis – jutiklio įstrižainės dydis

Kas įtakoja priartinimą:

Kuo didesnis objektyvo židinio nuotolis, ekrano dydis, tuo didesnis priartinimas.
Kuo didesnis okuliaro židinio nuotolis, jutiklio dydis, tuo mažesnis priartinimas.

Matymo laukas

Matymo laukas apibrėžia erdvės dydį, kurį galima peržiūrėti per optinį įrenginį nustatytu atstumu. Matymo laukas paprastai pateikiamas laipsniais (kampinis matymo laukas paveikslėlyje parodytas žemiau kaip 2Ѡ) arba metrais tam tikram atstumui (M) (paprastai 100M) iki stebimo objekto (linijinis matymo laukas paveikslėlyje rodomas kaip A).

Skaitmeninio naktinio matymo įrenginio matymo lauką apibrėžia objektyvo lęšio židinio nuotolis (f objektyvas) ir fizinis jutiklio dydis (B). Apskaičiavimo tikslais paprastai naudojamas plotis (horizontalus dydis), kaip fizinio jutiklio dydis, o rezultate gaunamas horizontalus matymo laukas.


Jei žinomas vertikalaus jutiklio dydis arba įstrižainės jutiklio dydis, vertikalų arba įstrižainės matymo lauką galima apskaičiuoti panašiai.

Kuo platesnis matymo laukas, tuo patogesnis stebėjimas, nes nereikia nuolat judinti prietaiso, kad pamatytumėte reikiamą dalį ar erdvę.

Svarbu suprasti, kad matymo laukas yra atvirkščiai proporcingas priartinimui – tai reiškia, kad priartinus vaizdą matymo laukas susitraukia. Tai yra viena iš priežasčių, kodėl infraraudonųjų spindulių sistemos (ypač termovizoriuose) turinčios didelę priartinimo galimybę, nėra gaminamos. Tuo pačiu metu svarbu suprasti, kad regėjimo lauko padidėjimas lemia aptikimo ir atpažinimo diapazono sumažėjimą.

Kas įtakoja matymo lauką:

Kuo didesnis jutiklio dydis arba mažesnis objektyvo židinio nuotolis, tuo platesnis kampinis matymo laukas.

Kadrų dažnis

Kadrų dažnis yra viena iš pagrindinių terminio vaizdo prietaiso savybių. Vartotojo požiūriu, tai yra kadrų, rodomų ekrane per vieną sekundę, skaičius. Paprastai, tai matuojama hercais (Hz), kur 1Hz yra lygus 1 kadrui per sekundę. Kuo didesnė kadrų dažnio vertė, tuo mažiau matomas vaizdo atsilikimo efektas, kurį sukuria termovizorius realiai matomo vaizdo atžvilgiu. Dinaminių scenų stebėjimas naudojant termovizorių, turintį 9 kadrų per sekundę greitį, rodo neryškų vaizdą, o objekto judesiai gali atrodyti atsilikę ir ‚trūkčiojantys‘. Priešingai, kuo didesnis kadrų dažnis, tuo sklandesnis bus dinaminių scenų perteikimas.

Skiriamoji geba ir veiksniai, darantys įtaką raiškai

Skiriamąją gebą apibrėžia prietaiso optinių elementų, jutiklio, ekrano, elektroninių grandinių kokybės parametrai ir taikomi programinės įrangos algoritmai. Šiluminio vaizdo įrenginio skiriamoji geba (skiriamoji galia) yra sudėtinga vertė, kurią sudaro šiluminė skiriamoji geba ir erdvinė skiriamoji geba. Pažvelkime į kiekvieną iš jų atskirai:

• Šiluminė skiriamoji geba (NETD – (Noise Equivalent Temperature Difference) – triukšmo ekvivalento temperatūros skirtumas
  Pasaulietiškai kalbant, tai yra prietaiso jautrumas arba minimalus aptinkamas temperatūros skirtumas, ir tai yra objekto signalo ir fono signalo santykis, kuriame atsižvelgiama į triukšmo signalą iš termovizoriaus šiluminio jutiklio. Gera šiluminė skiriamoji geba reiškia, kad termovizorius gali parodyti objektą su tam tikra, labai artima temperatūra fone. Kuo mažesnis skirtumas tarp objekto ir fono temperatūrų - tuo didesnė šiluminė skiriamoji geba.
• Erdvinė skiriamoji geba
  Erdvinė skiriamoji geba apibūdina prietaisų gebėjimą atskirai parodyti du glaudžiai esančius taškus ar linijas. Techninėse įrenginio specifikacijose šis parametras gali būti nurodytas kaip „skiriamoji geba“, „skiriamosios gebos riba“ ar „maksimali skiriamoji geba“, kuri yra tokia pati. Dažnai prietaiso skiriamąją gebą lemia šiluminio jutiklio (mikrobolometro) erdvinė skiriamoji geba, nes optikos erdvinė skiriamoji geba gerokai viršija šiluminio jutiklio skiriamąją gebą.
  Paprastai erdvinė skiriamoji geba apibrėžiama linijomis per milimetrą, tačiau ją galima nurodyti kampiniais vienetais (sekundėmis arba minutėmis). Kuo didesnė skiriamosios gebos vertė linijose per milimetrą, tuo didesnė skiriamoji geba. Kuo didesnė įrenginio skiriamoji geba, tuo aiškesnis stebėtojo matomas vaizdas.

Raiškai matuoti naudojama speciali įranga, vadinama kolimatoriumi. Ji sukuria bandymo diagramos imitacijos vaizdą – šiluminės linijos bandymo taikinį. Žvelgiant į bandomąją diagramą per optinį įrenginį, galima spręsti apie termovizoriaus skiriamąją gebą – kuo mažesnės linijos, kurios yra matomos atskirai, tuo didesnė įrenginio skiriamoji geba.

Paveikslėlis: Įvairių tipų terminio vaizdo bandymų diagramos

Skiriamoji geba taip pat priklauso nuo objektyvo lęšio ir okuliaro skiriamosios gebos. Objektyvo lęšis sukuria stebimo objekto vaizdą židinio plokštumos masyve, o tuo atveju, kai objektyvo skiriamoji geba yra maža, tolesnis įrenginio skiriamosios gebos pagerinimas yra neįmanomas. Lygiai taip pat žemos kokybės okuliaras gali ‚sugadinti‘ aiškiausią įrenginio ir jo komponentų ekrane sukurtą vaizdą.

Įrenginio erdvinė skiriamoji geba taip pat priklauso nuo ekrano parametrų. Kaip ir jutiklio atveju, ekrano skiriamoji geba rodoma panašiai – pikselių skaičius (horizontalus x vertikalus) ir jų dydis. Pikselių tankiui būdinga tokia vertė kaip PPI (pikselis colyje) – ši vertė rodo pikselių skaičių vieno colio srityje.

Šiluminio jutiklio parametrai labai veikia prietaiso skiriamąją gebą. Pirmiausia šiluminio jutiklio (mikrobolometro) skiriamoji geba yra bendras pikselių skaičius (paprastai rodomas kaip horizontalus pikselių skaičius x vertikalus pikselių skaičius) ir pikselių tankis. Šie du kriterijai yra pagrindiniai vertinant vaizdo skiriamąją gebą.

Signalų apdorojimui termovizoriai gali naudoti skirtingus algoritmus, kurie gali turėti įtakos bendrai įrenginio skiriamajai gebai. Pirmiausia kalbama apie „skaitmeninį priartinimą“, kai židinio plokštumos masyvo sukurtas vaizdas apdorojamas ir perkeliamas į ekraną su priartinimu. Tokiu atveju šiek tiek sumažėja bendra skiriamoji geba. Panašų efektą galima pastebėti skaitmeninėse fotokamerose, kai naudojamas skaitmeninis priartinimas.

Be pirmiau aprašytų veiksnių, reikėtų paminėti keletą papildomų, galinčių sumažinti skiriamąją gebą. Pirmiausia tai yra įvairių tipų „triukšmas“, iškreipiantis naudingą signalą, o galutiniame rezultate blogėja vaizdo kokybė. Galima išskirti šiuos triukšmo tipus:

„Dark current noise“ – pagrindinė šio tipo triukšmo atsiradimo priežastis yra terminė elektronų emisija (spontaniška elektronų emisija, dėl kurios šildoma šiluminio jutiklio medžiaga). Kuo žemesnė temperatūra, tuo mažesnis „Dark current noise“ signalas, t.y. mažesnis triukšmas, ir būtent šiam tikslui naudojamas užrakto ir mikrobolometro kalibravimas.

„Read Noise“ – Kai viename pikselyje saugomas signalas išimamas iš jutiklio, paverčiamas įtampa ir sustiprinamas, kiekviename elemente atsiranda papildomas triukšmas, o šis triukšmas vadinamas „Read noise“.

Kovai su triukšmu taikomi įvairūs programinės įrangos algoritmai, dažnai vadinami triukšmo slopinimo algoritmais.

Be triukšmo, skiriamąją gebą gali labai sumažinti elektroniniai trukdžiai, atsirandantys dėl įrenginio konstrukcijos klaidų (plokščių ir laidų išdėstymo įrenginio viduje) arba dėl plokščių sekimo klaidų (takų pravedimo padėties ir ekranavimo lygmenų kokybės). Elektroninius trukdžius taip pat gali sukelti klaidos elektroninėse įrenginio grandinėse, pvz., neteisingas elementų pasirinkimas filtrams gaminti maitinimo grandinių viduje. Taigi elektroninių grandinių projektavimas, signalų apdorojimo programinės įrangos kūrimas ir plokščių sekimas yra svarbios užduotys projektuojant terminio vaizdo įrenginius.

Kas įtakoja skiriamąją gebą:

Kuo didesni pikselių skaičius ir mažesnis jų šiluminio jutiklio dydis, tuo geresnė skiriamoji geba.

Šis teiginys yra teisingas, kai lyginami šiluminiai jutikliai yra to paties fizinio dydžio. Šiluminiai jutikliai, turinys didesnį pikselių tankį, turi geresnę skiriamąją gebą.

Stebėjimo diapazonas

Nurodytas terminio vaizdo prietaiso stebėjimo diapazonas priklauso nuo daugelio vidinių veiksnių (jutiklio parametrų, optikos ir elektronikos) ir išorinių sąlygų (įvairių stebimo objekto charakteristikų, fono, atmosferos aiškumo ir kt.) derinio.

Stebėjimo diapazonas paprastai skirstomas į aptikimo diapazoną, atpažinimo diapazoną ir identifikavimo diapazoną. Kiekvieną iš šių diapazonų apibrėžia Johnsono kriterijai, pagal kuriuos stebėjimo diapazonas yra tiesiogiai susijęs su temperatūra ir erdvine raiška.

Norint pilnai paaiškinti šią temą, būtina pristatyti stebimo objekto kritinio dydžio sąvoką. Kritinis dydis yra dydis, kuris yra pagrindas objekto vaizdo analizei, siekiant rasti jam būdingus geometrinius bruožus. Pavyzdžiui, kritinis šerno, elnio ar žmogaus dydis yra jo kūno aukštis.

Aptikimo diapazonas
Atstumas, kai stebimo objekto kritinis dydis gali tilpti į du ar daugiau terminio vaizdo jutiklio pikselių, vadinamas aptikimo diapazonu. Aptikimas reiškia tik tai, kad objektas matomas tam tikru atstumu, tačiau nesuteikia jokios informacijos apie jo charakteristikas (t.y. objekto tipo negalima nustatyti).

Atpažinimo diapazonas
Objekto atpažinimas reiškia, kad objekto tipą galima apibrėžti. Stebėtojas gali atpažinti tai, kas stebima, t.y. žmogų, gyvūną, automobilį ir panašiai. Manoma, kad atpažinimas yra įmanomas, kai kritinis objekto dydis gali tilpti bent į 6 jutiklio pikselius.

Identifikavimo diapazonas
Medžiotojo požiūriu naudingiausias diapazonas yra identifikavimo diapazonas. Identifikavimas reiškia, kad stebėtojas gali įvertinti ne tik objekto tipą, bet ir jam būdingus bruožus (pvz., 1,2 m ilgio ir 0,7 m aukščio šerno patiną). Kad tai įvyktų, kritinis objekto dydis turėtų tilpti bent į 12 jutiklio pikselių.

Svarbu suprasti, kad visais išvardytais atvejais yra 50% tikimybė aptikti, atpažinti ar identifikuoti nurodytą objektą. Kuo daugiau pikselių apima kritinis objekto dydis, tuo didesnė aptikimo atpažinimo arba identifikavimo tikimybė.

Akių reljefas

Akių reljefas yra atstumas nuo paskutinio okuliaro lęšio išorinio paviršiaus iki stebėtojo akies paviršiaus, kur stebimas vaizdas yra optimaliausias (maksimalus matymo laukas su minimaliais iškraipymais). Šis parametras yra labai svarbus taikikliams, kur akių reljefas turi būti ne mažesnis nei 50mm (80-100mm yra optimalus dydis). Tokia didelė akių reljefo vertė yra būtina, kad šaulys nesusižeistų dėl atatrankos fotografuojant. Paprastai naktinio matymo ir termovizoriniuose vienetuose akių reljefas yra lygus akies antdėklo ilgiui, kuris yra būtinas ekrano skleidžiamai šviesai užmaskuoti.

Šiluminio jutiklio kalibravimas

Terminio vaizdo prietaiso kalibravimą galima suskirstyti į gamyklinį kalibravimą ir vartotojo nustatytą kalibravimą. Terminio vaizdo prietaisų gamybos procesui, naudojant uncooled mikrobolometrus (šiluminius jutiklius) reikia gamyklinio prietaiso kalibravimo (objektyvo suporuoto su jutikliu), kuriam naudojama speciali įranga.

Gamyklinis kalibravimas nepanaikina būtinybės stebėjimo metu atlikti vartotojo apibrėžtą kalibravimą. Prietaiso veikimo metu vartotojo nustatytą kalibravimą galima atlikti naudojant vidinį užrakto uždengimo jutiklį arba objektyvo dangtelį, dengiantį objektyvą ir jutiklį. Verta paminėti, kad kalibravimas objektyvo dangtelio pagalba suteikia geriausią rezultatą, nes jis papildomai ištaiso vaizdo trūkumus. Kai kurie įrenginiai kalibruojami naudojant programinę įrangą nenaudojant užrakto ar objektyvo dangtelio.

Vartotojo nustatytas kalibravimas reikalingas dėl to, kad šiluminis jutiklis naudojimo metu įkaista netolygiai ir dėl to kyla triukšmas, todėl įrenginys neteisingai perteikia stebimą vaizdą. Kalibravimo proceso metu įvertinamos skirtingos jutiklio dalys ir atliekami skaičiavimai, siekiant išlyginti signalą, dėl kurio prietaisas sukuria teisingą vaizdą.