Крок пікселя, пояснення | 12 мкм проти 17 мкм

Визначення того, який крок пікселя тепловізійного датчика (також відомого як мікроболометр) вам найкраще підходить – 12 чи 17 мікрон – є поширеною дилемою. Чи має значення розмір? Проста відповідь – так, має. Але вам слід заздалегідь знати, що крок пікселя безпосередньо впливає на базове збільшення, якість зображення та чутливість тепловізора. Тому, коли справа доходить до вибору правильного датчика, існує багато переконань та помилкових уявлень. У цій статті ми спробуємо пояснити їх усі.

Також, щоб пояснити, що це означає – як в теорії, так і на практиці – ми створили це коротке відео, де наш колега Лаурінас ділиться всім, що потрібно знати про крок пікселя.

Розмір має значення

Звичайний користувач визначає клас тепловізійного приладу за роздільною здатністю сенсора або, іншими словами, за кількістю пікселів по горизонталі та вертикалі. Хоча існує багато інших факторів, що визначають якість теплового зображення, для цього є причина – чим більше пікселів містить сенсор, тим більше деталей спостережуваного зображення він може показати користувачеві.

Від чого залежить якість теплового зображення?

Роздільна здатність тепловізійного приладу визначається параметрами оптичних елементів, сенсора, дисплея, якістю конструктивного рішення, а також алгоритмами обробки сигналів. У цій статті ми розглянемо лише вплив параметрів сенсора на якість теплового зображення. Щодо решти параметрів, то виходитимемо з того, що вони вирішуються оптимальним чином.

Просторова роздільна здатність характеризує здатність тепловізійного приладу відображати окремо дві близько розташовані точки або лінії. Чим вища роздільна здатність, тим чіткіше зображення відображається користувачеві. З точки зору користувача, просторова роздільна здатність є найбільш зрозумілим та об'єктивним параметром для визначення якості зображення тепловізійного приладу.

Теплова роздільна здатність (мінімальна виявлювана різниця температур) – це граничне відношення сигналу спостережуваного об'єкта до сигналу фону, враховуючи шум тепловізійного датчика. Висока теплова роздільна здатність означає, що тепловізор може виявити об'єкт з певною температурою на фоні з подібною температурою. Чим менша різниця між температурою об'єкта та фону, що реєструються тепловізійним приладом, тим вища теплова роздільна здатність.

Найважливішою характеристикою, що впливає на теплову роздільну здатність тепловізійного приладу, є NETD (різниця температур, еквівалентна шуму) датчика. Вона вимірюється в мілікельвінах. NETD датчика – це параметр, який представляє найменшу різницю температур, яку може сприйняти датчик. Цей параметр відповідає відношенню сигнал/шум, що дорівнює одиниці. Іншими словами, зміна вихідного сигналу датчика при різниці температур, що дорівнює NETD, відповідає рівню шуму датчика. Чим нижче значення NETD, тим вища чутливість датчика.

Вибираючи тепловізор, покупці керуються різними аргументами: базове збільшення, дальність виявлення, поле зору, вага, розмір, ціна. Однак навіть у найдетальнішому технічному паспорті, який надають виробники тепловізійних приладів, немає пункту «якість зображення». Водночас, навіть прилади з однаковими польовими характеристиками на папері показують помітно різні результати в реальності.

Давайте порівняємо два тепловізори від Pulsar: Axion 2 XG35 та Helion 2 XP50 Pro.

Це гарний приклад тепловізійних приладів з подібними польовими характеристиками, але різною ціною. Axion 2 XG35 та Helion 2 XP50 Pro мають однакову просторову роздільну здатність сенсора 640×480 пікселів, збільшення 2,5–20x, а також схожі поля зору (12,5×9,4 та 12,4×9,3 градуса) та дальності виявлення (1750 та 1800 метрів). 

Отже, в чому причина 30% різниці в ціні? Відповідь — якість зображення.

Як оцінити якість тепловізійного зображення

Припустимо, ви виходите в поле літнім вечором з Axion 2 XG35 та Helion 2 XP50 Pro та дивитеся в окуляр. У такому випадку лише добре навчене око помітить різницю в якості зображення – обидва пристрої показуватимуть приблизно однаково контрастні та деталізовані зображення.

Однак полювання рідко відбувається в ідеальних умовах та в ідеальний для тепловізійного приладу час доби. Сезон активного полювання в Європі припадає на осінь та зиму, час вологої погоди з дощем, туманом та нічними заморозками. Різниця в ціні стає очевидною за таких реальних умов.

В умовах низького теплового контрасту зображення в Helion 2 XP50 Pro є більш інформативним порівняно з Axion 2 XG35. Це не набір плям з обмеженою кількістю відтінків між чорним і білим; це «фотографічне» контрастне зображення з великим діапазоном середніх тонів та високоякісною візуалізацією цілі та фону. Найкраща теплова роздільна здатність Helion 2 XP50 Pro випливає, перш за все, з чутливості сенсора NETD – хороший NETD особливо важливий для сцен з низьким тепловим контрастом, коли об'єкти мають приблизно однакову температуру. Наприклад, пейзажі.

Спостереження низькоконтрастних теплових сцен чітко демонструє узгодженість між тепловою роздільною здатністю та просторовою роздільною здатністю тепловізійного приладу. Здавалося б, що в пристроях з однаковою роздільною здатністю сенсора (у нашому випадку обидва сенсори мають роздільну здатність 640×480 пікселів) зображення, видиме на дисплеї, має бути однаково деталізованим.

Ні. Якщо тепловий контраст сцени низький, то тепловізор з нижчою тепловою роздільною здатністю (вище значення NETD сенсора) показуватиме гірше розрізнення деталей. Ділянки з подібними температурами будуть відображатися на дисплеї як однакові, і вони матимуть однакову яскравість і контрастність на зображенні групи пікселів. Фактично це означає меншу просторову роздільну здатність.

Таким чином, просторова роздільна здатність видимого зображення не є постійною і може знижуватися зі зменшенням теплового контрасту спостережуваної сцени. Це здається парадоксом, але тепловізійні прилади з нижчою роздільною здатністю сенсора та кращою чутливістю (наприклад, 384×288 пікселів @ 17 мкм / NETD < 25 мК) можуть відображати сцени з низькою контрастністю детальніше, ніж тепловізійні прилади з вищою роздільною здатністю, але нижчою чутливістю (наприклад, 640×480 пікселів @ 12 мкм / NETD < 40 мК).

Чутливість сенсора не впливає на дальність виявлення (вона залежить від фокусування об'єктива та кроку пікселя сенсора). У нашому прикладі Helion 2 XP50 Pro та Axion 2 XG35 мають однакову дальність виявлення стандартного об'єкта висотою 1,8 м. Однак, якщо говорити про якісні характеристики дальності спостереження, а саме про дальність розпізнавання та ідентифікації, то зі зменшенням контрастності сцени (туман, дощ, імла, підвищена вологість) тепловізор Axion 2 XG35 буде помітно швидше «програвати».

Більший піксель, краща якість

Повернемося до прикладів. У кожному з розглянутих випадків найкращу якість зображення показали пристрої з сенсором з NETD <25 мК. Причому обидва ці сенсори мають крок пікселя 17 мікрон.

NETD датчика

Чим більший піксель і чим більша його площа, тим більше LWIR (довгохвильового інфрачервоного) випромінювання він здатний приймати і тим вища чутливість усього тепловізійного датчика. Вплив розміру датчика на NETD лежить в основі самого принципу роботи датчиків з тим чи іншим розміром пікселя.

Це чітко видно на нашому прикладі. Датчики мають однакову роздільну здатність, 640×480 пікселів, але сенсор тепловізійного приладу Helion 2 XP50 Pro має більший розмір пікселя (17 мікрон проти 12 мікрон) і, нарешті, кращу чутливість (NETD <25 мК проти NETD <40 мК).

Як результат, Helion 2 XP50 Pro – це пристрій професійного рівня. Купуючи цей тепловізор, клієнт платить не лише за найвищу якість зображення, але й за впевненість у тому, що пристрій впорається з будь-якими несподіванками, які може піднести погода під час полювання.

Кілька слів про переваги сенсорів з малими розмірами пікселів. По-перше, для тепловізійних приладів із сенсором з меншим пікселем, однакова дальність виявлення, збільшення та поле зору можуть бути досягнуті з об'єктивами з меншим фокусом. Саме це показав Axion 2 XG35.

У парі Axion 2 XG35 та Helion 2 XP50 Pro обидва пристрої мають однакову дальність виявлення. Axion використовує об'єктив з меншим фокусом (F35/1.0), а Helion – з більшим фокусом (F50/1.0), але дальність виявлення пристроїв однакова через менший піксель у сенсоре Axion. За ідеальних умов з погіршенням теплового контрасту в місці спостереження Helion 2 XP50 Pro покаже кращі результати як пристрій з найкращим сенсором NETD.

По-друге, за тієї ж роздільної здатності, сенсор з меншим розміром пікселя матиме менший фізичний розмір. Отже, пристрій на його основі можна зробити компактнішим.

Що за межами чисел

Якщо порівняти сучасний 12-мікронний сенсор і сенсор початку 21 століття з пікселем 25 мікрон, то NETD останнього цілком можливо буде вищим, оскільки за 20 років відбувся серйозний прогрес у розвитку технологій виготовлення мікроболометричних сенсорів та якості використовуваних матеріалів.

У сучасних сенсорах, чим більший розмір пікселя, тим вища чутливість (індекс NETD нижчий). Це загальна істина – використовуючи ті самі матеріали, неможливо створити тепловізор з меншим розміром пікселя, нижчою ціною та, водночас, кращою чутливістю.

NETD датчика вимірюється відповідно до нормативних актів, які є однаковими або схожими для всіх виробників. Але останнім часом спостерігається перетворення NETD зі спеціальної технічної характеристики на популярний інструмент просування пристроїв, що не завжди є сумлінним.

Зараз найкращі виробничі партії датчиків з кроком пікселя 17 мкм досягають NETD менше 25 мК, з кроком пікселя 12 мкм – менше 40 мК. Водночас у партії завжди є певна кількість датчиків з нижчим значенням NETD. Це означає, що виробники можуть зібрати невелику кількість високочутливих тепловізійних приладів, які використовуються як демонстраційні зразки при виведенні на ринок. Тим часом, таку чутливість неможливо підтримувати при виготовленні будь-яких значних виробничих партій приладів. Однак у рекламних та інформаційних матеріалах про продукт декларується завищена чутливість протягом усього життєвого циклу.

Під час написання технічних характеристик у сертифікаті пристрою деякі виробники керуються параметрами лідерів ринку та вказують цифри, які хоче бачити потенційний споживач. Як наслідок, сьогодні на ринку можна знайти пристрої зі значенням NETD менше 25 мК, заявленим для сенсорів з 12-мікронним пікселем (наприклад, для сенсора 640×512 @12µm), що не відповідає дійсності.

Деякі виробники використовують та враховують пост-обробку сигналів, таку як фільтрація зображень, для збільшення значення NETD. Результат, отриманий таким чином, не можна вважати значенням NETD датчика. Більш правильно, це значення NETD тепловізійного приладу і гарно виглядає на папері. Насправді, покращення NETD (тобто зменшення значення параметра) за рахунок фільтрації зображення призводить до зменшення просторової роздільної здатності зображення, видимого на дисплеї, а також до втрати деталізації зображення та знижує його інформативність.

У розробці датчиків та тепловізійних приладів існують об'єктивні закони та обмеження, які неможливо обійти. Найкращий тепловізор не може бути дешевим. Якщо тепловізійні прилади, подібні за заявленими польовими та функціональними можливостями, мають суттєву різницю в ціні, то дуже ймовірно, що низька ціна в більш доступному приладі досягається шляхом компромісів щодо якості зображення. Це слід враховувати при виборі тепловізійного приладу.