Тепловизор или прибор ночного видения: в чем разница и что выбрать

Тепловизор и прибор ночного видения часто ставят в один ряд. Оба позволяют наблюдать ночью, оба выпускаются в портативном формате, а некоторые модели даже внешне похожи. На этом сходство почти заканчивается.

Тепловизор регистрирует инфракрасное излучение поверхностей. Прибор ночного видения (ПНВ) работает со светом, отраженным от окружающих объектов. Это может быть слабый естественный свет либо излучение ИК-подсветки.

Отсюда и разница в изображении. Тепловизор помогает быстрее обнаружить объект, который отличается от фона по тепловому излучению. ПНВ лучше сохраняет привычную структуру сцены: дорогу, деревья, здания, рельеф.

Поэтому вопрос «что лучше: тепловизор или прибор ночного видения» имеет смысл только вместе с конкретной задачей.

Чем тепловизор отличается от прибора ночного видения

Если коротко отвечать на вопрос, чем отличается ночное видение от тепловизора, главное различие заключается в источнике изображения.

ПНВ показывает отраженный свет. Тепловизор регистрирует тепловое инфракрасное излучение.

Представим человека у края леса. Через ПНВ пользователь видит одновременно самого человека, кусты, траву, деревья и землю. Если одежда и фон близки по яркости, силуэт может частично потеряться среди деталей.

Для тепловизора цвет одежды практически не имеет значения. Если тепловое излучение поверхности человека отличается от окружающего фона, цель выделяется заметнее.

Но есть обратная сторона. Тепловизионное изображение хуже передает привычные детали местности. Дорога, камень и ствол дерева с близкой температурой могут выглядеть гораздо менее выразительно, чем через ПНВ.

Поэтому в самом простом виде различие можно описать так:

• тепловизор удобен при поиске цели по тепловому контрасту;
• ПНВ лучше подходит для наблюдения за самой сценой и ориентации.

Это не две версии одной технологии. Приборы показывают разные свойства окружающего мира.

Как работает тепловизор

Любая поверхность с температурой выше абсолютного нуля испускает электромагнитное излучение. Часть его находится в инфракрасном диапазоне. Матрица тепловизора регистрирует поступающее ИК-излучение, после чего электроника преобразует сигнал в термограмму.

Цвета на ней условные. Красный участок не является буквально «красным теплом», а синий не соответствует какой-то одной низкой температуре. Палитру можно переключить, при этом физическая картина сцены не изменится.

В промышленной термографии этого мало. На результат влияют свойства самой поверхности, прежде всего коэффициент излучения, отражения от окружающих объектов, расстояние и состояние атмосферы.

Особенно осторожно приходится работать с блестящим металлом. Он хорошо отражает окружающее тепловое излучение, поэтому яркая область на экране иногда оказывается отражением, а не реальным перегревом.

Наблюдательный и измерительный тепловизор — не совсем одно и то же

Если задача состоит только в обнаружении объекта, пользователю в первую очередь важна тепловая картинка.

При технической диагностике дополнительно нужно измерять температуру. Здесь применяются измерительные тепловизоры. Например, VERDO Ti3103 оснащен ИК-матрицей 120×90 пикселей и работает в диапазоне измеряемых температур от −20 до +550 °C. У модели есть видимая камера, режим совмещения ИК- и обычного изображения, частота обновления 25 Гц.

Такой прибор используют уже не для ночного наблюдения, а для проверки электрооборудования, отопительных систем, механических узлов и строительных конструкций. Здесь ПНВ не является альтернативой: он просто не показывает распределение температуры.

Как работает прибор ночного видения

ПНВ не анализирует температуру объекта. Его задача другая: сделать доступный свет достаточным для наблюдения там, где обычному зрению его уже не хватает.

В классических приборах ночного видения используется электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Свет от луны, звезд или других источников отражается от окружающих предметов, попадает на фотокатод и преобразуется в электронный сигнал. Затем он усиливается, после чего на выходном экране формируется видимое изображение.

Именно поэтому классический ПНВ может работать при очень слабом естественном освещении. Чем меньше света вокруг, тем сложнее получить детальную картинку. Если его практически нет, может понадобиться дополнительный ИК-осветитель.

Цифровой ПНВ устроен иначе. Вместо ЭОП в нем используется светочувствительная электронная матрица. Она воспринимает видимый и ближний инфракрасный свет, электроника обрабатывает сигнал, а готовое изображение выводится на дисплей.

По ощущениям такая картинка гораздо ближе к обычной видеосъемке, чем к термограмме. Пользователь видит контуры дороги, деревья, ветви, ограждения, строения и форму предметов. При хорошем качестве оптики и достаточном освещении можно различать довольно мелкие детали окружающей сцены.

Качество изображения у ПНВ зависит сразу от нескольких вещей: чувствительности ЭОП или цифрового сенсора, оптики, количества доступного света, увеличения и уровня помех. Для цифровых моделей большое значение имеет еще и работа ИК-подсветки.

Когда естественного освещения недостаточно, ИК-осветитель фактически подсвечивает сцену невидимым или почти невидимым для человека светом, который способен зарегистрировать прибор.

Чаще всего встречаются два диапазона:

• 850 нм — обычно дает более эффективную подсветку и большую рабочую дальность, но работающий излучатель иногда можно заметить по слабому красноватому свечению.
  
• 940 нм — значительно менее заметен человеческому глазу, однако при сопоставимой мощности дальность подсветки обычно меньше.

Есть и практический нюанс. ИК-подсветка не только помогает, но иногда мешает. В тумане, снегу или рядом со стеклом часть излучения может отражаться обратно в объектив, из-за чего изображение становится светлее и теряет контраст.

Поэтому утверждение «ПНВ работает в полной темноте» требует уточнения. Цифровой прибор действительно способен показывать сцену там, где видимого света почти нет, но в таких условиях его возможности уже зависят от ИК-осветителя: его мощности, угла подсветки и расстояния до объекта.

В этом и заключается одно из главных отличий от тепловизора. ПНВ нужно отраженное излучение, а тепловизор формирует изображение по тепловому ИК-излучению самих поверхностей.

Тепловизор и ПНВ: сравнение

У двух приборов могут быть похожие значения увеличения, разрешения дисплея или заявленной дальности. Но сравнивать их только по этим цифрам некорректно: тепловизор и ПНВ получают исходную информацию по совершенно разным принципам.

Сначала полезнее определить, что именно должно быть видно на изображении. Если нужен тепловой контраст, преимущество будет у тепловизора. Если важна структура окружающей сцены, больше информации обычно дает ПНВ.

Даже одинаковое разрешение сенсоров здесь не означает одинаковую детализацию. Один прибор работает с тепловым излучением, второй с отраженным светом.

От чего зависит качество изображения у тепловизора и ПНВ

Обе технологии могут показывать впечатляющую картинку в одних условиях и заметно хуже работать в других. Причины при этом разные.

Что мешает тепловизору

Главный фактор — тепловой контраст между объектом и окружающим фоном. Например, человек обычно хорошо заметен на фоне прохладной земли. Но после жаркого солнечного дня асфальт, стены и камни могут долго оставаться нагретыми. Контраст уменьшается, и цель уже не так сильно выделяется.

Ситуацию также ухудшают физические препятствия. Тепловизор не способен видеть непосредственно сквозь стену, закрытую дверь или плотный слой растительности. Камера получает излучение от той поверхности, которая находится перед ней.

Есть сложности и с отражающими материалами. На полированном металле можно увидеть отражение теплого оборудования, человека или другого источника ИК-излучения.

Что мешает ПНВ

У ночного видения другая слабая точка: нехватка света.

При ясной ночи с луной прибор может формировать хорошее изображение даже без активной подсветки. В темном помещении или густом лесу естественного света уже может не хватать. Тогда рабочая дистанция начинает зависеть от ИК-осветителя.

Есть и противоположная проблема. Яркий фонарь, автомобильная фара или другое интенсивное освещение способны вызвать засветку и уменьшить количество различимых деталей.

Современная электроника умеет частично компенсировать такие перепады, но возможности прибора все равно не безграничны.

Поэтому у технологий получается почти зеркальная зависимость: тепловизору нужен тепловой контраст, ПНВ — достаточный световой контраст.

Что происходит в тумане, под дождем и в дыму

Тепловизоры иногда описывают так, будто они беспрепятственно видят сквозь туман и дым. Это сильное упрощение.

При легком тумане тепловая камера действительно может сохранять заметность объекта лучше, чем обычная камера. Но капли воды все равно взаимодействуют с инфракрасным излучением, поэтому с увеличением плотности тумана рабочая дальность сокращается.

У ПНВ проблема выглядит немного иначе. Свет рассеивается на каплях воды. Если включена активная ИК-подсветка, часть ее излучения возвращается обратно в камеру. В результате перед объективом может появляться светлая пелена.

Дождь ухудшает условия для обоих типов приборов. У тепловизора меняется температурная картина поверхностей и ослабляется полезный сигнал. У ночной камеры падает визуальный контраст.

С дымом результат зависит от его состава и плотности. В некоторых условиях тепловизионная камера действительно сохраняет объект там, где ПНВ или обычная камера уже показывают мало полезных деталей. Но любой густой дым автоматически прозрачным для тепловизора не становится.

От чего зависит дальность тепловизора и ПНВ

Надпись «дальность до 1000 метров» выглядит убедительно, но сама по себе почти ничего не говорит. На такой дистанции прибор может заметить объект, однако это еще не означает, что пользователь сможет понять, что именно находится перед ним.

У тепловизора дальность в первую очередь связана с тем, сколько пикселей матрицы приходится на цель и насколько хорошо она отличается от фона по тепловому излучению.

На результат влияют размер объекта, разрешение ИК-матрицы, фокусное расстояние объектива, поле зрения и тепловой контраст. Имеют значение и погодные условия: туман, дождь и высокая влажность ослабляют инфракрасное излучение на пути к камере. Поэтому один и тот же тепловизор может показать человека на одной дистанции очень отчетливо, а на другой оставить от него только небольшое теплое пятно.

С ПНВ ситуация немного другая. Здесь дальность зависит от того, сколько света приходит к сенсору или ЭОП и насколько хорошо прибор способен этот свет использовать.

Для классического ПНВ имеют значение характеристики ЭОП, чувствительность фотокатода, качество объектива и уровень естественного освещения. При ясной ночи с луной прибор может работать значительно увереннее, чем в лесу под плотной кроной.

У цифрового ПНВ к этому добавляются чувствительность сенсора, качество обработки изображения и характеристики ИК-подсветки. Если встроенный осветитель эффективно работает, например, на относительно небольшой дистанции, высокая чувствительность сенсора сама по себе не сделает удаленную сцену яркой.

Важна и оптика. Более длиннофокусный объектив позволяет получить более крупное изображение удаленной цели, но обычно сужает поле зрения. Широкоугольная оптика, наоборот, удобнее при поиске и движении, однако небольшая цель занимает на изображении меньше места.

Поэтому реальная дальность всегда является компромиссом между:

• размером цели в кадре;
• детализацией;
• углом обзора;
• освещением или тепловым контрастом;
• условиями между прибором и объектом.

Для ПНВ дополнительно имеет значение дальность ИК-осветителя, а для тепловизора — чувствительность матрицы к небольшим различиям температуры.

Именно поэтому два прибора с одинаковой надписью «дальность 1000 м» могут показывать одну и ту же цель совершенно по-разному.

Обнаружение, распознавание и идентификация

При оценке дальности тепловизора полезно разделять несколько уровней результата. Иначе цифра в характеристиках легко вводит в заблуждение.

• Обнаружение означает, что пользователь уже понимает: в этом месте есть объект. На большой дистанции человек может занимать всего несколько пикселей. Видно теплое пятно или силуэт, но определить, кто именно перед камерой, пока сложно.
• Распознавание начинается тогда, когда деталей достаточно, чтобы определить общий тип цели. Например, отличить человека от автомобиля или крупного животного.
• Идентификация требует еще большей детализации. Пользователь может увереннее определить характер объекта и его особенности. При этом слово «идентификация» в характеристиках тепловизионной системы не нужно понимать буквально как возможность узнать конкретного человека по лицу. В техническом описании речь обычно идет о достаточном количестве информации для уверенного определения цели по заданным критериям.

Есть еще один важный момент: разные производители могут считать эти дальности по разным методикам и для разных размеров целей. Поэтому две цифры «дальность обнаружения 1000 м» не всегда напрямую сопоставимы.

Для ПНВ терминология «обнаружение — распознавание — идентификация» встречается в карточках реже, но сама логика остается той же.

На условных 300 метрах прибор может:

• показать, что впереди находится какой-то объект;
• позволить понять, что это человек;
• дать достаточно деталей, чтобы рассмотреть одежду, положение тела или другие особенности.

Это три совершенно разных уровня изображения, хотя во всех случаях производитель может использовать слово «видимость».

Отдельная проблема — цифровой зум. Он не добавляет сенсору новых деталей. Если человек занимает на исходном изображении несколько пикселей, увеличение просто сделает эти пиксели крупнее.

Оптическое увеличение работает иначе: объект проецируется на большую область сенсора. Но здесь приходится жертвовать частью поля зрения, поэтому прибор с большим увеличением не всегда удобнее при поиске цели.

Получается, что при сравнении дальности нужно смотреть не только на вопрос «видно ли объект?», но и на более полезный: «что именно я смогу понять об этом объекте на нужном расстоянии?»

Разрешение, поле зрения и детализация

Разрешение матрицы сильно влияет на изображение, но сравнивать приборы только по количеству пикселей неправильно.

Для тепловизора особенно важна связка разрешение матрицы + поле зрения + оптика.

Представим две тепловизионные камеры. У одной матрица крупнее, но объектив охватывает очень широкую сцену. У другой пикселей меньше, зато поле зрения уже. В результате небольшой удаленный объект может занимать на матрице сопоставимое количество пикселей.

Именно поэтому полезно учитывать пространственное разрешение, или IFOV. Оно показывает, какой угловой участок сцены приходится примерно на один пиксель матрицы. Чем меньше этот участок, тем больше пикселей может приходиться на небольшой объект при той же дистанции.

Например, в серии VERDO Ti3100 используются разные сочетания матриц и углов обзора. У VERDO Ti3103 матрица 120×90 и поле зрения 26×19°, а у VERDO Ti3105 матрица 256×192 при поле зрения 56×42°. У Ti3105 пикселей больше, но одновременно значительно шире угол обзора. Поэтому утверждение «256×192 автоматически позволяет видеть в два раза дальше, чем 120×90» неверно.

Зато большая матрица при подходящей оптике дает другие преимущества: позволяет получить больше информации по всей сцене, лучше различать небольшие температурные зоны и увереннее анализировать сложные объекты.

У ПНВ работает похожий принцип. Разрешение сенсора показывает, сколько информации камера в принципе может записать, но итоговая детализация зависит еще и от объектива. Если небольшой удаленный объект занимает очень маленькую часть кадра, высокая цифра разрешения сама по себе не гарантирует, что его получится хорошо рассмотреть.

Кроме того, на качество ПНВ влияют освещение и уровень шумов. В очень темной сцене сенсор может иметь высокое паспортное разрешение, но фактическая детализация уменьшится из-за шума, усиления сигнала и работы алгоритмов обработки.

У приборов с ЭОП вместо привычного разрешения цифровой матрицы могут использоваться другие характеристики, в том числе разрешающая способность и качество самого преобразователя. Поэтому напрямую сравнивать цифры цифрового ПНВ, ПНВ с ЭОП и тепловизора некорректно.

На практике при выборе обоих типов приборов полезнее смотреть сразу на несколько вещей:

Если прибор предполагается использовать в основном на 50–100 метрах, мало смысла оценивать его по красивой максимальной цифре дальности в карточке. Гораздо полезнее посмотреть, насколько хорошо он показывает объект нужного размера именно на рабочем расстоянии.

Что лучше: тепловизор или прибор ночного видения

Однозначного победителя здесь нет. Если задача состоит в том, чтобы быстрее заметить человека или животное среди кустов, высокая визуальная детализация окружающей сцены не всегда нужна. Гораздо полезнее, если цель сразу отличается от фона. В таких условиях тепловизор часто оказывается удобнее.

Если нужно пройти ночью по незнакомой дороге, ситуация меняется. Важно видеть яму, ветку, корень дерева, забор или край тропы. Эти объекты могут почти не различаться по температуре, поэтому привычная картинка ПНВ здесь информативнее.

Еще один сценарий — охрана территории. Тепловой канал может использоваться для поиска, а ПНВ или обычная камера помогают рассмотреть уже найденный объект.

В технической диагностике сравнивать технологии вообще не приходится. Если нужно найти горячий контакт, оценить нагрев двигателя или обследовать строительную конструкцию, необходим измерительный тепловизор.

Что выбрать для разных задач

На практике вопрос «тепловизор или ПНВ» обычно возникает там, где оба прибора в принципе способны помочь, но делают это по-разному. Один быстрее находит цель, другой лучше показывает окружающую обстановку. Поэтому для некоторых задач ответ зависит не только от условий, но и от того, что важнее: обнаружение или подробное наблюдение.

Особенно хорошо различие видно на двух популярных сценариях.

Для охоты тепловизор обычно удобнее именно на этапе поиска: теплое животное может быть заметно даже на неоднородном фоне. ПНВ, в свою очередь, дает более привычную картинку местности и помогает лучше оценить обстановку вокруг цели.

Для туризма и движения по лесу преимущество чаще оказывается у ПНВ. Здесь важнее различать корни, ветки, камни, ямы и края тропы, а не искать объекты по температуре.

Если прибор нужен для охраны территории, наиболее информативна комбинация технологий. Тепловой канал помогает быстрее заметить присутствие человека, а ночной или обычный оптический канал позволяет рассмотреть объект и окружающую сцену.

При использовании тепловизоров и приборов ночного видения на охоте нужно отдельно проверять действующие местные ограничения. Правила применения такой оптики зависят от страны, региона и конкретного способа охоты.

Частые вопросы

Видит ли тепловизор в полной темноте?

Да. Видимый свет тепловизору не нужен. Камера регистрирует инфракрасное излучение поверхностей, поэтому выключенное освещение само по себе не мешает построению термограммы.

Видит ли ПНВ в полной темноте?

Зависит от типа прибора и условий. Цифровому ПНВ при полном отсутствии внешнего света обычно нужна ИК-подсветка. Прибор с ЭОП способен усиливать очень слабое естественное освещение, но в абсолютной темноте ему тоже может понадобиться дополнительный источник ИК-света.

Нужна ли тепловизору ИК-подсветка?

Нет. Подсветка 850 или 940 нм применяется с ПНВ и камерами ближнего ИК-диапазона. Тепловизор регистрирует тепловое излучение и в таком осветителе не нуждается.

Что лучше: ИК-подсветка 850 или 940 нм?

850 нм обычно дают большую эффективность и дальность. 940 нм значительно менее заметны человеческому глазу, однако при сопоставимой мощности эффективная дистанция может оказаться меньше.

Видит ли тепловизор через стекло?

Через обычное оконное стекло распространенный LWIR-тепловизор не получает нормальную термограмму объекта за окном. На экране отображается прежде всего поверхность стекла и отраженное от нее тепловое излучение.

А ПНВ видит через стекло?

Да, объект за прозрачным стеклом обычно можно увидеть. Но при активной ИК-подсветке возможна другая проблема: часть света отражается от стекла обратно в объектив и создает засветку. Чем ближе осветитель расположен к камере и стеклу, тем заметнее может быть этот эффект.

Видит ли тепловизор через стену?

Нет. Он показывает температуру поверхности стены. По температурному рисунку иногда можно косвенно заметить горячую трубу, теплый участок или дефект теплоизоляции, но сам объект непосредственно за стеной камера не показывает.

Можно ли считать ПНВ аналогом тепловизора?

Только в очень широком смысле, если под аналогом тепловизора понимать прибор, который помогает наблюдать ночью. По принципу работы это не аналоги. ПНВ использует отраженный свет, а тепловизор показывает тепловой контраст. Если нужно искать объект именно по температурным отличиям или проводить измерения, ночное видение тепловизор не заменит.

Ночник или тепловизор: что лучше?

Словом «ночник» часто называют прибор ночного видения. Если основная задача заключается в ориентации и наблюдении за окружающей обстановкой, удобнее ПНВ. Если нужно быстрее обнаруживать объект по тепловому контрасту, преимущество обычно будет у тепловизора.

Можно ли использовать тепловизор и ПНВ вместе?

Да. Тепловизор может использоваться для первоначального поиска, а ПНВ или обычная камера — чтобы подробнее рассмотреть найденный объект и окружающую местность. Поэтому существуют системы, в которых тепловой и оптический каналы дополняют друг друга.