Размер имеет значение

Обычно владельцы тепловизоров определяют класс тепловизионного устройства по разрешению матрицы. Другими словами, количеством пикселей по горизонтали и вертикали, которые формируют эту матрицу. Это действительно так – чем больше пикселей в сенсоре, тем более детализированное изображение создает тепловизор, хотя на качество изображения влияют много иных факторов.

От чего зависит качество теплового изображения?

Разрешение тепловизионного устройства определяется свойствами его оптических элементов, сенсора, дисплея, конструкцией прибора, а также алгоритмами обработки теплового сигнала. В этой статье мы будем говорить лишь о том, как параметры матрицы влияют на качество теплового изображения. Что касается прочих деталей, предположим, что их свойства оптимальны.

С разрешением тепловизионного изображения не все просто – оно складывается из теплового разрешения и пространственного разрешения.

Пространственное разрешение характеризует свойство тепловизора показать две расположенных рядом точки или линии по отдельности. Чем выше разрешение, тем четче изображение, которое видит пользователь. С его точки зрения пространственное (или геометрическое) разрешение- самый понятный и объективный параметр, влияющий на качество изображения.

Тепловое разрешение – это минимальный тепловой сигнал, который способен заметить тепловой сенсор на фоне собственных тепловых шумов. Чем меньше разница между температурами объекта и его фона, при которой объект становится заметен в тепловизор, тем лучше его температурное разрешение.

Самый важный показатель, который характеризует тепловое разрешение прибора – это его NETD (Noise Equivalent Temperature Difference, что означает различие температур, равное уровню шума). Он измеряется в милликельвинах. NETD – это минимальное температурное различие, которое улавливает сенсор. Иными словами, если разница температур равна NETD, то прибор будет выдавать сигнал, соответствующий уровню шума своего сенсора. Чем меньше NETD, тем выше чувствительность теплового сенсора.  

При покупке тепловизора обычно смотрят на следующие характеристики: оптическое увеличение, дальность обнаружения, поле обзора, масса и габариты прибора, его цена. Однако даже в самых подробных описаниях, предоставляемых изготовителями, вы не найдете термина «качество изображения». Однако картинки у приборов с внешне схожими характеристиками в реальных, полевых условиях могут сильно различаться.

Давайте сравним два тепловизионных монокуляра Пульсар – Axion 2 XG35 и Helion 2 XP50 Pro.

Это хороший пример тепловизоров со сходными характеристиками, но разной стоимостью. У сенсоров Axion 2 XG35 и Helion 2 XP50 Pro одинаковое количество пикселей 640х480, увеличение 2.5 – 20х, сходные поля обзора (12.5×9.4 и 12.4×9.3 градусов) и дистанции обнаружения (1750 и 1800 м).

Тогда почему они сильно различаются по цене? Из-за качества изображения.

Как оценить качество теплового изображения?

Если выйти на природу с обоими приборами (Axion 2 XG35 и Helion 2 XP50 Pro) летним вечером и взглянуть в их окуляры, то лишь опытный наблюдатель заметит разницу в качестве изображения – у обоих устройств контрастность и детализация будут примерно одинаковы.

Однако охота (или боевые действия) редко проходит в идеальных условиях и в идеальное для наблюдения время суток. В Европе охотничий сезон приходится на осень и зиму, когда воздух влажный, часто случается туман или идет дождь со снегом, а ночами ударяет мороз. Вот тогда сразу станет ясно, почему эти приборы стоят по-разному.

В условиях низкого теплового контраста изображение у Helion 2 XP50 Pro более информативно, чем у Axion 2 XG35. Это не мозаика из пятен с ограниченным количеством оттенков между черным и белым, а практически фотографическая контрастная картинка со множеством полутонов и детальной прорисовкой вашей цели и окружающего фона. Причиной лучшего теплового разрешения у Helion 2 XP50 Pro прежде всего является лучшая чувствительность сенсора, его NETD. Хорошая NETD особенно важна для сцен с низкой тепловой контрастностью, когда наблюдаемые объекты примерно одной температуры. Например, детали пейзажа.

При наблюдении в условиях низкой тепловой контрастности становится понятна взаимосвязь теплового и пространственного разрешения матрицы тепловизора. Кажется, если у обоих приборов матрицы имеют одинаковое разрешение, а именно 640х480, то изображения на их дисплеях будут одинаково детализированы?

Никак нет. Если тепловой контраст пейзажа мал, то у прибора с меньшим тепловым разрешением (т.е. с большим значением NETD) детализация картинки будет хуже. Области с близкими, но все же отличающимися температурами будут отображаться на дисплее одинаково, т.к. яркость и контраст соответствующих им пикселей будет одинаков. По сути, это уменьшает пространственное разрешение.

Таким образом, пространственное разрешение видимого изображения – это не какое-то постоянное свойство. Оно может уменьшаться в результате уменьшения тепловой контрастности обозреваемого пейзажа. Парадоксально, но тепловизоры, у которых матрицы имеют меньшее разрешение, но лучшую чувствительность (например, 384×288 пикселей @ 17 µm / NETD < 25 mK), покажут более детальную картинку, нежели приборы с большим разрешением, но меньшей чувствительностью (например, 640×480 пикселей @ 12 µm / NETD < 40 mK).
 

Чувствительность матрицы не влияет на дальность обнаружения. Она зависит от фокального расстояния линзы (проще говоря, ее диаметра) и размера пикселя матрицы. В нашем примере у обоих приборов – и Helion 2 XP50 Pro, и Axion 2 XG35 – одинаковые дистанции обнаружения человека стандартного роста 1.8 метра. Однако если мы рассмотрим другие количественные характеристики наблюдения – дистанции распознавания и идентификации – то при ухудшении контрастности пейзажа (туман, дождь, задымление, увеличение влажности воздуха) у Axion 2 XG35 картинка тепловой сигнатуры будет ухудшаться значительно быстрее.

Чем больше пиксель, тем лучше качество
 
Вернемся к примерам. В обоих случаях лучшее изображение будет продемонстрировано устройствами с NETD <25 mK, т.е. приборами, у которых размер пикселя 17 микрон.


NETD сенсора

Чем больше пиксель, тем больше занимаемая им площадь, тем больше теплового излучения он способен принять, им тем выше чувствительность всей матрицы в целом. Размер пикселя определяет чувствительность матрицы.

Это четко видно на нашем примере. Матрицы приборов имеют одинаковое разрешение – 640х480 пикселей – но у матрицы Helion 2 XP50 Pro пиксели большего размера (17 микрон, а не 12), в результате чувствительность выше (NETD <25 mK против NETD <40 mK).

Таким образом, Helion 2 XP50 Pro – это тепловизор профессионального уровня. Приобретая это устройство, вы платите не только за изображение наилучшего качества, но также за уверенность, что прибор справится с любыми сюрпризами, которые может преподнести погода во время охоты.

Матрицы с пикселями меньшего размера имеют свои преимущества. Во-первых, они позволяют при линзе с меньшим фокусом (т.е. используя линзу меньшего размера и, соответственно, себестоимости) получить такие же величины следующих параметров – дистанция обнаружения, кратность увеличения и угол поля обзора). Axion 2 XG35 тому подтверждение. И Helion 2 XP50 Pro, и Axion 2 XG35 демонстрируют одинаковые дистанции обнаружения, но у Axion линза с меньшим (F35/1.0), а у Helion – с большим (F50/1.0) фокальным расстоянием. Дистанции обнаружения у обоих приборов схожи, т.к. у матрицы Axion пиксели меньшего размера. В одинаковых условиях наблюдения при снижении тепловой контрастности наблюдаемой сцены Helion 2 XP50 Pro покажет лучшие результаты, т.к. у его матрицы лучший NETD.

Во-вторых, сенсоры с маленькими пикселями имеют небольшие размеры. Следовательно, тепловизоры на таких сенсорах будут более компактны.

Что скрывается за цифрами

Если сравнивать современный 12-микронный сенсор и матрицу начала XXI века с пикселями 25 микрон, то NETD первого, скорее всего, будет выше, т.к. за 20 лет производство микроболометров добилось значительного прогресса, да и качество используемых материалов улучшилось.

У современных матриц чем больше размер пикселя, тем выше чувствительность (показатель NETD меньше). Это аксиома – из одного и того же материала невозможно создать матрицу с пикселями меньшего размера, низкой стоимостью и при этом с более высокой чувствительностью.

Величину NETD измеряют согласно правилам, которые одинаковы или схожи у всех производителей. Однако с некоторых пор NETD превратился из технической характеристики в инструмент маркетинга, которым не всегда честно пользуются.

Например, берется самая удачная партия матриц с пикселями 17 µm, где NETD не просто меньше 25 mK, а минимальны, и уникальную партию матриц с пикселями 12 µm, где NETD <40 mK и тоже минимальны. В то же время всегда среди любой, даже рекордной партии некоторое количество сенсоров имеет лучшие показатели. Это означает, что производитель может собрать небольшое количество высокочувствительных тепловизоров, которые будет демонстрировать на выставках. Однако при массовом производстве такую чувствительность поддержать не получится. Однако в рекламных буклетах будут указаны завышенные характеристики, которые не удастся соблюсти на протяжении всего производства. 

При заполнении технической спецификации в паспорте конкретного устройства некоторые производители указывают величины, списанные из рекламных проспектов. Они пишут то, что желает видеть потенциальный покупатель. В результате сейчас на рынке вам могут предложить устройства с NETD <25 mK, заявленной для сенсоров с пикселями размером 12 микрон (например, для матриц 640×512 @12µm), что не является правдой.

Некоторые производители используют хитроумные алгоритмы обработки теплового сигнала вроде фильтрации изображения, чтобы повысить чувствительность матрицы. Это не улучшает ее NETD. Точнее говоря, здесь речь идет о чувствительности всего устройства в целом, и красиво это выглядит только на бумаге. В действительности улучшение NETD прибора путем фильтрации изображения уменьшает пространственное разрешение картинки, отображаемой на дисплее, а также потерю деталей и снижение информативности изображения.

В физике, которая определяет темпы развития матриц и тепловизионных устройств на их основе, существуют объективные законы и ограничения, которые невозможно обойти. Тепловизор топ-класса не может быть дешевым. Если тепловизоры со схожим функционалом значительно различаются по цене, весьма вероятно, что низкая стоимость более доступного устройства достигнута за счет компромисса относительно качества изображения. Это следует помнить, выбирая тепловизор.