Тепловизионная камера для БПЛА: почему две камеры 640×512 распознают ночью с разницей в 2,5 раза
Поставьте три подвеса рядом. Все три используют инфракрасный детектор 640×512 с одинаковым числом пикселей. Их дальность распознавания ночью по взрослому телу заявлена как >120 м у первой, >220 м у второй и >300 м у третьей. Между двумя продуктами, на спецификации которых стоят одни и те же четыре цифры, разрыв в 2,5 раза.
Большинство покупателей выбирают оборудование по одной этой надписи «640×512», а на первой же ночной вылетной з&acycy;даче убеждаются, что на дальности, где тел должно распознаваться, в кадре только пятно, которое никто не решится назвать человеком или деревом. Здесь мы рассчитываем, откуда берется этот разрыв: какой параметр его на самом деле задаы&ocycy;т, можно ли пересчитать его самому, и почему переход с 384×288 на 640×512 иногда не даы&ocycy;т ничего.
&Xcy;арактеристики в этой статье взяты из заводских спецификаций наших текущ&ikhcy; в продаже изделий. Приведынные здесь цифры углового разрешения и дальности распознавания являются примерами расчыэта по геометрии, а не результатами измерений; фактическая производительность подлежит проверке на вашей платформе и в ваших условиях.
Пиксели решают, насколько мелкое качество у картинки; фокусное расстояние решает, до какого предела эта мел&ochcy;ь доходит
640×512 э о характеристика детектора — неохлаждаемый датчик длинноволнового диапазона — и с объективом она не связана никак. Поставьте один и тот же детектор 640×512 за разными фокусными расстояниями и получите два совершенно разных кадра: чем больше фокусное расстояние, тем уже поле зрения, и одно и то же число пикселей распределяется по меньшему участку земли, поэтому на каждый пиксель приходится меньшая доля этой поверхности.
Записанное как формула, угловое разрешение на пиксель равно полю зрения, разделянному на число пикселей. Проделайте это деление на трех подвесах 640×512 нашей гаммы и разрыв покажется сразу:
| Модель | Фокус ИК | Поле зрения ИК | Угловое разрешение на пиксель | Распознавание дням | Распознавание ночью |
|---|---|---|---|---|---|
| PUTD070A | 9,1мм | 48,3°×38,6° | 0,0755° | >350м | >120м |
| PUTT155 | 18мм | 24,4°×19,5° | 0,0381° | >400м | >220м |
| PUTT170 | 25мм | 17,5°×14,0° | 0,0273° | >400м | >300м |
PUTD070A на фото — это первая строка: тепловой канал 640×512 с короткофокусным ИК-объективом 9,1 мм, поле зрения 48,3°×38,6°, маленькая линза слева ведыет видимый канал, большая в центре — инфракрасный. Его детектор — неохлаждаемый LWIR с откликом от 8 до 14 мкм; PUTT155 и PUTT170 работают от 8 до 12 мкм, разница в пропускании окна, которая не меняет логики этой линии выбора. Его распознавание дням доходит до 350 м, ночью падает до 120 м, и именно этот скачок мы здесь и разбираем.
Все три строки несут одинаковое число пикселей, но угловое разрешение на пиксель сжимается с 0,0755° до 0,0273°, то есть до трети исходного значения. Дальность распознавания ночью поднимается с 120 м до 300 м — те же 2,5 раза. В этом голосовании число пикселей не отдало ни одного; вс&yocy; сделало фокусное расстояние.
Общее число пикселей — как размер рыбальной сети; угловое разрешение на пиксель — как размер ячеи. Останется ли рыба, зависит от ячеи. Сколько воды охватывает один заброс, зависит от всей сети. Отвечать на вопрос «какой размер рыбы можно выловить» словами «какая большая сеть» — это ошибка постановки вопроса с самого начала.
Заявленную дальность распознавания можно пересчитать: линия это «12 пикселей на человека»
Дальности распознавания в заводских спецификациях выглядят как цифры, полученные измерениями в поле. Большая их часть рассчитана. Обшепринятый критерий — критерий Джонсона: чтобы тел было распознано в кадре — человек или машина и чт&ocycy; он несут — он должно занимать порядка дюжины пикселей; для одной обнаружения, «там что-то есть», хватит двух-трех пикселей. Распознавание и обнаружение различаются более чем в десять раз в одной и той же таблице, и виновата здесь именно эта линия.
Подставьте эту линию в формулу, и дальность распознавания получится примерно как рост тела, разделянный на «12, умноженные на угловое разрешение на пиксель в радианах». Просчитаем для взрослого ростом 1,7 м:
В группе 9,1 мм 0,0755° на пиксель переводится в 0,001318 радиана, и 1,7, разделянные на 12 умножить на 0,001318, дают 107 м; в спецификации написано >120 м. В группе 18 мм 0,0381° переводится в 0,000665 радиана и дают 213 м против заявленных >220 м. В группе 25 мм 0,0273° переводится в 0,000476 радиана и дают 298 м против заявленных >300 м.
Все три числа попадают рядом со своими заявленными значениями, а расхождение объясняется предположением о росте тела и условиями испытаний. Это пригодно на двух уровнях. Во-первых, можно взять спецификацию любого подвеса и пересчитать, откуда взялась эго заявленная дальность; если число не сходится или сходится сильно мимо, правильный шаг — спросить, при каких условиях это число выставлено. Во-вторых, свою задачу можно считать наоборот: когда заказчик говорит «нужно распознавать человека на 250 м ночью», подставив это в формулу, вы узнаете, какую группу фокусных расстояний искать, без угадывания по номерам моделей. Границы между обнаружением, распознаванием, сопровождением и геолокацией разобраны рядом в нашей руководстве по целеуказанию.
Предел этого шага тоже надо назвать: то, что даыот ф&ocycy;рмула, — это теоретический потолок, и заявленное значение обычно остаыется ниже. PUTD095 работает на 384×288 с объективом 7 мм, 0,0646° на пиксель, и та же формула даы&ocycy;т 126 м, &xcy;отя в спецификации указано
Переход с 384 на 640 пикселей может не поменять дальность видимости ни на сколько
В семействе PUDD075GT представлено три тепловых ступени: GT1 — 256×192 с объективом 7 мм, GT2 — 384×288 с 9,1 мм, а GT3 — 640×512, вс&yocy; ещ&yocy; на 9,1 мм. Пикселей р&acycy;ст&yocy;т от начала до конца, а фокусное расстояние не меняется в двух ступенях из трех — и это именно тот случай, когда над&ocycy; смотреть, как меняется поле зрения.
Поле зрения GT2 — 29,0°×21,7°, а GT3 — 48,3°×38,6°. Разделите каждое: 29,0 на 384 даыот 0,0755 градуса, и 48,3 на 640 тоже даыот 0,0755 градуса. Два числа совпадают точь в точь.
Лишние 67% пикселей у GT3 не делают каждое тело крупнее в кадре; они расширяют кадр на 67%. За одну вылетную задачу теперь проходится на 67% больше земли — а мелочь, попадающая на каждый пиксель, полностью совпадает с GT2. Деньги, потраченные на переход с 384 на 640 при том же фокусном расстоянии, покупают охват, а не дальность видимости.
Тогда когда платить за пиксели &ocycy;купается. Первый случай — задача, где нужно и широкое поле, и мелкая деталь — охватывать большой двор и при этом различать человека в его углу, где высокое разрешение — единственный ответ. Второй — цифровой зум: обрезать участок кадра для рассмотра поближе, и малое число пикселей превращает обрез в кашу. Если же задача просто «распознать человека вдали в заданном направлении», отдача от более длинного фокусного расстояния сильно обгоняет отдачу от б&ocycy;льшего числа пикселей.
Чтобы судить, насколько мелко разрешает тепловой канал, в таблице параметров считать надо одно число: угловое разрешение на пиксель. Поделите поле зрения на число пикселей, и вс&yocy; — десять секунд потрачены впустую, в отличие от чтения десяти страниц спецификаций.
Цена длинного фокуса: кадр 17,5° — как взгляд на море через соломинку
Объектив 25 мм вытягивает ночное распознавание до 300 м, и цена этого — поле зрения всего 17,5°×14,0°. Насколько это узко, понимает каждый, кт&ocycy; отработал хоть од&icycy; круг: попадает тело в кадр или нет — дело случая, и как только подвес прошел момент, надо лететь ещ&yocy; круг. На поисковой задаче эти минуты превращаются в один круг за другим, а топливо и время уходят на сам поиск.
Короткий фокус 9,1 мм переворачивает проблему: поле 48,3°×38,6° легко находит те&l;а, но за 120 м человек сливается в пятно. Поставьте два краяности рядом, и ответ лежит в «не выбирать один».
Зрелый подход — поделить работу между широким и длинным: широкий канал находит тело, длинный его опозна&yocy;т, и оба кадра возвращаются одновременно, чтобы пилот искал и подтве&rcyzhcy;дал на одном экране. Так устроены наши трехсенсорные подвесы: PUTT155 сочетает широкий видимый канал с ИК 18 мм, а PUTT170 вытягивает ИК до 25 мм, и каждый находит своя баланс между «найти» и «рассмотреть». Как сотрудничают два оптических канала и как делятся зум и фиксированный фокус, разобрано в наших руководстве по сочетанию тепла и зума и сравнении зума с фиксированным фокусом, и здесь повторяться не будет.
Ещ&yocy; одна строка в счет: длиннофокусная группа линз тяжелее и длиннее, и вес с потреблением подвеса растут вместе с ним, чего бюджет нагрузки малой платформы может не выде&rcyzhcy;ать. Прежде чем выбирать фокусное расстояние, просчитайте вес и питание платформы; метод изложен в нашей руководстве по бюджету SWaP для микроподвесов.
Мелкий шрифт под заявленными цифрами важнее самих цифр
На том же PUTD070A распознавание дням — >350 м, ночью — >120 м, разница почти в три раза. Меняется свет. Дн&yocy;м бесплатный источник — солнце; ночью у тепловизора оста&yocy;тся только разница температур между телом и фоном.
Каждая дальность в таблице параметров нес&yocy;т всю свиту условий: видимость не ниже 8 км, относительная влажность не выше 60%, разница температур фона не меньше 5 K, а тело считается взрослым. Эти условия описывают границу физики. В спецификации PUTD095 заявлена также эквивалентная разница температур шума NETD ≤50 мК при 25°C и F#1.0, что означает: когда разница между телом и фоном падает ниже 50 милликельвин, детектор уже не р&acycy;зделяет тело от шума фона.
Сойдите два эти факта, и масса полевых загадок расходится сама: почему стена сразу после дождя читается плохо, почему в тумане тепловизор отключается вообще, почему зимним утром работается лучше, чем теплым дн&yocy;м. Когда разницы температур нет, 640×512 и 1280×1024 видят одинаково ничего. Больше пикселей это не &ichcy;справляют; это физика. Менять условия или время вылета — можно. Размер пятна и угол падения — другая причина того, почему измеренная дальность так отста&yocy;т от заявленной, и наша руководство по лазерному дальномеру подробно это разбирает.
Есть ещ&yocy; один путь ночью: видимый свет звездного уровня. Видимый канал PUTD070B использует датчик звездного уровня 1/2,8 дюйма и 2 МП, и при наличии некоторого окружающего света — городского свечения, лунного света — он несет гораздо больше деталей, чем тепловой канал, и лучше годится для определения лица и номера, где нужна эта деталь. Тепловой канал и видимый свет звездного уровня — это два разных вида ночи; какой взять, зависит от задачи, а не от замещения одного другим.
Таблица выбора, которую можно применить к своей задаче
Чтобы превратить формулу в действие по выбору, работайте от фразы «на какой дальности должен быть распознан один человек ночью» вместо сравнения списков параметров модель за моделью:
| Тип задачи | Потребность в ночном распознавании | Группа фокусных расстояний | Подходящие модели |
|---|---|---|---|
| Ночное патрулирование завода, кампуса и стройплощадки | Класс 100 м | 9 мм, короткий фокус, широкое | PUTD070A / PUTD070B / PUTD090 |
| Поиск и спасение в необжитой местности, осмотр рек и трубопроводов | Класс 200 м | 18 мм, средний длинный фокус | PUTT155 |
| Граница, наблюдение на больших дальностях, охрана критических объектов | Класс 300 м | 25 мм, длинный фокус | PUTT170 |
| Дальше 300 м | —— | 640×512 — потолок | Подбор вне нашего каталога, в сторону 1280×1024 |
Таблица получена из линии «12 пикселей на человека» и не является обещанным значением. На реальной задаче сверху эщ&yocy; накладываются погода, контраст тела, сколько платформа может держать стабильное ви&;сение и успевает ли за стабилизацией подвеса. На подвесе с стабилизацией хуже 0,02° вибрация платформы съедают половину преимущества длинного фокуса; каждые 0,1° тряски дают больше полуметра смещения на 300 м, и заявленная дальность распознавания выше этого не будет работать.
Где мы уступаем, сказано прямо
Модели 1280×1024 в нашей гамме нет. Отрасль переводит тепловизор с 640×512 на 1280×1024, и это тенденция, а не наш текущий ассортимент. Если задаче действительно требует стабильного распознавания людей или машин за 300 м, скажите об этом прямо, и мы подбер&yocy;м решение через свою сеть поставок вместо того, чтобы заставлять 640×512 работать вне своих возможностей.
Ещ&yocy; одно замечание по согласованности: заявленные дальности распознавания для семейства PUDD075GT и для семейства двухсенсорных подвесов считаются по разным соглашениям, и при одинаковом фокусном расстоянии различаются заметно. Для выбора опирайтесь на письменную спецификацию, читайте таблицу параметров как верхнюю границу и оставляйте запас в предложении. Какая линза к какому модулю и на какой платформе ставится — на этот вопрос мы отвечаем, пропустив условия вашей задачи через расчет.
Коротко
Выбор тепловой оптики: число пикселей решает, сколько земли охватывает кадр; фокусное расстояние решает, до какого предела эта мелочь доходит, а угловое разрешение на пиксель — то самое число, за которым стоит следить. Дальность ночного распознавания делится из линии «12 пикселей на человека», а не накапливается из об&shch;его числа пикселей. Прежде чем покупать, поделите поле зрения на число пикселей в любой спецификации — это надежнее, чем спросить десять продавцов.
Расскажите о вашем монтаже
Выбор тепловой оптики не делается без реальных условий. Пришлите задачу: что ищете ночью, на какой дальности, какая разница температур и освещенность в окружающей среде, на какой платформе летаете и скольк&ocycy; запаса по нагрузке осталось — и мы сложим эти факторы вместе и скажем, какую группу фокусных расстояний заказывать, стоит ли брать три сенсора и выдержит ли стабилизация и питание вашей платформы.
Системные интеграторы (проекты энергетики, МЧС, границы) → укажите тип тела и радиус работы, и мы от требования к дальности распознавания восстановим группу фокусных расстояний и сочетание датчиков.
Дистрибьюторы (сомнения, подойдет ли конфигурация заказчику) → пришлите условия работы заказчика, и мы подтвердим группу линз и совместимость с платформой.
Распознавание за 300 м или конфигурация 1280×1024 → подбор вне нашего каталога; укажите требование к точности и условия работы, и наша сеть поставок подберет модель.
Как с нами связаться: оставьте сообщение на странице запроса с пометкой «выбор тепловой оптики», и наша техническая служба ответит в течение 24 часов. Консультации по выбору бесплатны.
Частые вопросы
Что дают 640×512 по сравнению с 384×288, и окупается ли разница в цене?
Вс&yocy; зависит от объектива. При одинаковом фокусном расстоянии высокое разрешение покупает более широкое поле зрения и ту же дальность видимости; с более длинным объективом меньшее число пикселей может видеть дальше. Когда задаче требует «широкого охвата и ясной детали одновременно», большее разрешение оправдывает разницу в цене.
Почему моя тепловизионная камера плохо видит ночью?
В девяти случаях из десяти не хватает разницы температур. Когда разница между телом и фоном падает ниже эквивалентной разницы температур шума — в нашей гамме это порядок 50 мК — тело сливается с фоном. Влажная стена после дождя, туман и тело на температуре фона попадают в этот хласс. Больше пикселей не помогут; поменять условия или время вылета — поможет.
Что лучше — широкое или узкое ИК-поле зрения?
Зависит от этапа задачи. Поиск хочет широкого поля, чтобы находить быстро; подтверждение хочет узкого, чтобы видеть ясно. Поэтому трехсенсорные подвесы делят работу между широким и длинным каналом вместо компромисса на одной линзе.
Когда 1280×1024 действительно нужен?
Два типа задач: стабильное распознавание людей или машин за 300 м; или задача, где нужно и широкое поле, и мелкая деталь. Помимо этих случаев 640×512 с правильно подобранным объективом обычно выгоднее и легче. Моделей 1280×1024 в нашей гамме нет; этот запрос можно решить вне нашего каталога.
Можно ли вписать заявленную дальность распознавания в контракт?
Не стоит. Эти цифры зависят от конкретных условий — видимости, влажности, разницы температур, типа тела — и результат движется вместе с условиями. В контракте надо задавать метод проверки и условия приямки под реальную среду, а не копировать заявленное значение.
Может ли видимый свет звездного уровня заменить тепловой канал?
Нет. Видимый свет звездного уровня нуждается в окружающем свете: деталей б&ocycylcy;ьше, но в полной темноте он не работают. Тепловой канал работает на разнице температур и света не требует, но тоже отказывает, когда разницы температур нет. Ночные задачи — это два вида ночи, и какой взять, зависит от задачи.
Сопровождение и распознавание — это одно и то же?
Нет. Сопровождение — это не дать телу выйти из кадра после захвата; распознавание — это определить, что это за объект в кадре. Он по-разному нагружают на пиксели и частоту кадров. Как модули ИИ-сопровождения заявляют дальность захвата и что на не&yocy; влияет, разобрано в нашей руководстве по модулям ИИ-сопровождения.
Отказ от ответственности: характеристики в этой статье взяты из заводских спецификаций наших текущ&ikhcy; в продаже изделий, и приоритет официальное предложение и спецификация, выданная для вашей конфигурации. Приведянные здесь цифры углового разрешения и дальности распознавания следуют из геометрии и не учитывают атмосферное затухание, ошибку монтажа и ошибку решения углов пол&yocy;тным контроллером; это примеры расчета, а не результаты измерений, и фактическая дальность распознавания подлежит проверке для конкретной платформы, объектива и условий работы. Приведенный критерий Джонсона — общедоступная техническая литература, приведеная только для объяснения общего принципа и не является заявлением о производительности наших продуктов.
