Kaip atsirado galimybė matyti tamsoje
Kai pirmą kartą pamačiau naktinio matymo įrašą iš saugumo kameros, pagalvojau – tai kažkas panašaus į magiją. Visiškoj tamsoj matosi žmonės, gyvūnai, net smulkios detalės. Bet jokios magijos čia nėra, tik protinga fizikos ir inžinerijos kombinacija.
Naktinio matymo technologija iš tiesų prasidėjo dar Antrojo pasaulinio karo metais, kai vokiečiai kūrė pirmąsias infraraudonųjų spindulių sistemas. Tuomet tai buvo didžiuliai, nepatogūs prietaisai, kuriuos naudojo tankų įgulos. Pirmoji karta (vadinama Gen 0) veikė aktyvaus apšvietimo principu – iš prietaiso sklido infraraudonoji šviesa, nematoma žmogaus akiai, bet kamera ją užfiksavo. Problema buvo ta, kad priešas su panašiu įrenginiu galėjo matyti tą šviesą kaip žibintą tamsoje.
Šiuolaikinės naktinio matymo kameros yra visai kitos. Jos mažos, efektyvios ir veikia net esant minimaliam apšvietimui. Daugelis jų naudoja pasyvų infraraudonųjų spindulių fiksavimą arba vaizdo stiprinimo technologijas. Kai kurios kameros sujungia abi sistemas, kad gautų geriausią rezultatą.
Infraraudonieji spinduliai – nematomos šviesos paslaptis
Pirmiausia reikia suprasti, kas tie infraraudonieji spinduliai. Tai elektromagnetinės bangos, kurių bangos ilgis yra ilgesnis nei matomos šviesos. Žmogaus akis mato šviesą nuo maždaug 380 iki 750 nanometrų bangos ilgio. Infraraudonoji šviesa prasideda nuo 750 nanometrų ir tęsiasi iki milijono nanometrų.
Yra kelios infraraudonosios šviesos kategorijos. Artimoji infraraudonoji (NIR, 750-1400 nm) yra labiausiai paplitusi kamerose. Vidutinė (MWIR, 3000-8000 nm) ir tolimoji (LWIR, 8000-15000 nm) dažniausiai naudojamos specializuotose termovizijos kamerose. Kiekviena turi savo privalumų ir trūkumų.
Daugelis pigesnių saugumo kamerų naudoja aktyvią infraraudonąją apšvietimą. Aplink objektyvą matote mažų LED diodų žiedą – tai IR šviestukai. Kai tamsta, jie įsijungia ir apšviečia erdvę infraraudonąja šviesa. Kamera su specialiu jutikliu šią šviesą užfiksuoja ir paverčia juodu baltu vaizdu. Tokios kameros paprastai pasiekia 20-30 metrų atstumą tamsoje.
Vaizdo stiprinimo stebuklai
Kur kas įdomesnė technologija – vaizdo stiprinimas (image intensification). Tai ta pati technologija, kurią naudoja kariuomenės naktinio matymo akiniai. Veikimo principas gana sudėtingas, bet pabandysiu paaiškinti paprastai.
Objektyvas surenka net minimalų šviesos kiekį – galbūt žvaigždžių šviesą, tolimą gatvės žibintą ar mėnulio atspindį. Ši šviesa patenka ant fotokathodo – specialaus paviršiaus, kuris šviesą paverčia elektronais. Kuo daugiau šviesos, tuo daugiau elektronų išsiskiria. Tada šie elektronai patenka į mikrokanalinius stiprintuvus (MCP – microchannel plate).
Čia įvyksta tikrasis stebuklas. MCP yra plokštelė su milijonais mažyčių kanalėlių, kiekvienas apie 6 mikrometrus skersmens. Kai elektronas patenka į kanalėlį, jis atsitrenkia į sieneles ir išmuša dar daugiau elektronų. Vienas elektronas gali tapti tūkstančiais elektronų. Šis procesas kartojasi kelis kartus, kol elektronų srautas tampa tūkstančius kartų stipresnis.
Galiausiai šie elektronai patenka ant fosforinio ekrano, kuris elektronus vėl paverčia šviesa – tik dabar ji jau daug stipresnė. Štai kodėl naktinio matymo vaizdas dažniausiai būna žalias – naudojamas žalias fosforas, nes žmogaus akis geriausiai skirią žalios spalvos atspalvius.
Termovizija – matome šilumą
Visai kitaip veikia termovizinės kameros. Jos nemato šviesos tradicine prasme – jos fiksuoja šilumą. Visi objektai, kurių temperatūra aukštesnė nei absoliutus nulis (-273°C), spinduliuoja infraraudonąją energiją. Kuo šiltesnis objektas, tuo daugiau spinduliuoja.
Termovizinė kamera turi specialų jutiklį, jautrų vidutinės arba tolimosios infraraudonosios šviesos bangoms. Dažniausiai tai mikrobolometrų masyvas – mažyčių jutiklių, kurių elektrinė varža keičiasi priklausomai nuo temperatūros. Kai infraraudonoji energija patenka ant bolometro, jis šiek tiek įšyla, varža pasikeičia, ir tai užfiksuojama kaip signalas.
Termovizinės kameros privalumas – jos veikia visiškoj tamsoj, net be jokio šviesos šaltinio. Nebūtina nei žvaigždžių šviesa, nei infraraudonoji apšvieta. Jos mato šilumą, todėl puikiai tinka žmonėms ir gyvūnams aptikti. Trūkumas – brangu. Gera termovizinė kamera gali kainuoti nuo kelių šimtų iki kelių tūkstančių eurų.
Skirtingos kartos ir jų galimybės
Karinės naktinio matymo technologijos klasifikuojamos pagal kartas. Tai svarbu žinoti, nes civilinėje rinkoje dažnai painiojami terminai.
Pirmoji karta (Gen 1) atsirado 1960-aisiais. Šie prietaisai stiprino šviesą apie 1000 kartų, bet vaizdas buvo miglotesnis, o pakraščiuose matėsi iškraipymai. Veikimo laikas – apie 2000 valandų. Tokių technologijų dar galima rasti pigesnėse civilinėse kamerose ir žiūronuose.
Antroji karta (Gen 2) pasirodė 1970-aisiais ir pakeitė žaidimo taisykles. Mikrokanalinius stiprintuvus patobulino, pridėjo jonų barjerą, kuris apsaugojo fotokathodo nuo grįžtančių jonų. Vaizdo stiprinimas pasiekė 20000-30000 kartų, vaizdas tapo daug aiškesnis, o veikimo laikas išaugo iki 5000 valandų.
Trečioji karta (Gen 3) – tai šiuolaikinė karinė technologija. Naudojamas galio arsenido fotokathodo, kuris jautresnis šviesai. Vaizdo stiprinimas – iki 50000 kartų. Veikimo laikas – apie 10000 valandų. Problema ta, kad Gen 3 technologijos eksportas iš JAV yra griežtai kontroliuojamas karinės įrangos taisyklėmis.
Ketvirtoji karta (Gen 4) oficialiai neegzistuoja – JAV kariuomenė šį terminą panaikino. Bet neoficialiai taip vadinamos pažangiausios Gen 3 versijos su pašalintu jonų barjeru ir kitais patobulinimais.
Kaip pasirinkti naktinio matymo kamerą sau
Jei galvojate įsigyti naktinio matymo kamerą namams ar verslui, pirmiausia reikia suprasti, kam jos reikia. Saugumo sistemoms dažniausiai pakanka paprastų IP kamerų su infraraudonąja apšvieta. Jos nebrangios, patikimos ir veikia iki 30 metrų atstumu.
Rinkdamiesi tokią kamerą, atkreipkite dėmesį į keletą dalykų. Pirma – rezoliucija. Šiandien minimumas turėtų būti 1080p (Full HD), bet geriau rinktis 4K kameras, jei biudžetas leidžia. Didesnis pikselių skaičius reiškia aiškesnį vaizdą, o tai svarbu identifikuojant žmones ar automobilio numerius.
Antra – jutiklio dydis. Didesnis jutiklis surenka daugiau šviesos, todėl vaizdas geriau atrodo net be infraraudonosios apšvietos. Kameros su 1/2.8″ ar didesniu jutikliu bus geresnės už tas, kurios turi 1/4″ jutiklį.
Trečia – IR šviestukai. Patikrinkite, kokį atstumą deklaruoja gamintojas. Bet žinokite, kad realybėje tas atstumas dažnai būna mažesnis, ypač jei norite matyti detales. Kai kurios kameros turi reguliuojamą IR apšvietą – tai naudinga, nes galite pritaikyti intensyvumą pagal situaciją.
Jei reikia stebėti didesnį plotą ar norite profesionalesnio sprendimo, galite žiūrėti į PTZ (Pan-Tilt-Zoom) kameras su naktinio matymo funkcija. Jos gali sukiotis, pakreipti ir priartinti vaizdą. Kai kurios turi net 30x ar didesnį optinį priartinimą.
Praktiniai patarimai diegiant ir naudojant
Įrengiant naktinio matymo kameras, yra keletas gudrybių, kurias verta žinoti. Pirma – stiklas ir infraraudonieji spinduliai nesusidraugauja. Jei bandysite montuoti kamerą už lango, IR šviestukai atsispindės nuo stiklo ir vaizdas bus baltas. Yra specialios kameros be IR apšvietos, skirtos montuoti viduje ir žiūrėti pro langą, bet jos reikalauja bent minimalaus išorinio apšvietimo.
Antra – atstumai. Gamintojų deklaruojami IR apšvietimo atstumai dažnai optimistiški. Jei rašoma, kad kamera apšviečia 30 metrų, realiai aiškų vaizdą gausite gal 20 metrų atstumu. Planuokite su atsarga.
Trečia – voratinkliai. Tai didžiausia naktinio matymo kamerų problema. Vorai mėgsta pinti tinklus apie kameras, nes naktį IR šviestukai pritraukia vabzdžius. Voratinklis prieš objektyvą sukelia klaidingus judesio aptikimo signalus. Sprendimas – reguliariai valyti arba naudoti kameras su specialiais voratinklių aptikimo algoritmais.
Ketvirta – kampas. Platus matymo kampas reiškia, kad matysite didesnį plotą, bet smulkmenos bus mažiau matomos. Siauresnis kampas leidžia geriau matyti detales, bet aprėpia mažesnį plotą. Daugelis šiuolaikinių kamerų turi varifocal objektyvus – galite patys reguliuoti kampą pagal poreikius.
Penkta – tinklo pralaidumas. 4K kameros su 30 kadrų per sekundę greičiu gali generuoti nemažai duomenų. Įsitikinkite, kad jūsų tinklas ir įrašymo įrenginys (NVR ar kompiuteris) pajėgs apdoroti srautą. Naudokite H.265 kodavimą vietoj H.264 – jis efektyvesnis ir užima mažiau vietos.
Ateities technologijos jau čia pat
Naktinio matymo technologijos nuolat tobulėja. Viena įdomiausių naujovių – spalvotas naktinis matymas. Tradicinės naktinio matymo kameros rodo juodą baltą vaizdą, bet naujos technologijos leidžia matyti spalvas net labai silpnoje šviesoje. Tai pasiekiama naudojant ypač jautrius jutiklius ir pažangų vaizdo apdorojimą.
Dirbtinis intelektas irgi keičia žaidimą. Šiuolaikinės kameros gali atpažinti žmones, automobilius, gyvūnus ir net veidus tamsoje. Jos gali atskirti tikrą grėsmę nuo klaidingo signalo – pavyzdžiui, supras, kad tai tik šešėlis ar medžio šaka, o ne įsilaužėlis.
Kvantiniai taškai (quantum dots) – dar viena perspektyvi technologija. Tai mažyčiai puslaidininkių kristalai, kurie gali būti naudojami kuriant naujus, jautresnius infraraudonosios šviesos jutiklius. Teoriškai jie galėtų būti pigesni ir efektyvesni už dabartinius sprendimus.
Taip pat matome miniatiūrizacijos tendenciją. Termoviziniai jutikliai, kurie anksčiau buvo dideli ir brangūs, dabar telpa į išmaniuosius telefonus. Yra priedų, kuriuos prijungiate prie telefono ir gaunate termovizinę kamerą už kelių šimtų eurų. Prieš dešimtmetį tokia technologija būtų kainavusi dešimtis tūkstančių.
Kai tamsa nebėra kliūtis
Naktinio matymo technologija iš egzotiškos karinės įrangos tapo kasdieniu įrankiu. Šiandien ją naudoja ne tik kariuomenė ar policija, bet ir paprastas žmogus, norintis apsaugoti savo namus, stebėti laukinę gamtą ar tiesiog jaustis saugiau.
Technologija tapo prieinama ir patikima. Už šimtą eurų galite nusipirkti padorią IP kamerą su infraraudonąja apšvieta. Už tūkstantį – profesionalią sistemą su keliomis kameromis ir išmaniuoju įrašymu. O jei tikrai reikia – už keletą tūkstančių galite įsigyti termovizinę kamerą, kuri matys viską, kas šilta, net visiškoj tamsoj.
Renkantis svarbu suprasti savo poreikius. Namų saugumui dažniausiai pakanka paprastų IR kamerų. Medžioklei ar gamtos stebėjimui geriau tinka termovizija. Profesionaliam saugumui – kombinuoti sprendimai su dirbtinio intelekto funkcijomis.
Viena aišku – naktis nebėra tamsi tiems, kurie nori matyti. Technologija leidžia mums peržengti biologinius apribojimus ir išplėsti savo pojūčius. Ir tai tik pradžia – ateityje naktinio matymo galimybės taps dar įspūdingesnės, prieinamesnės ir įdomesnės.