Всего один тепловизор

« ГироВизор-Т» сканирует пространство с рекордной для систем подобного типа скоростью до 17 кадров в секунду и за две секунды формирует панораму без смазывания и в высоком разрешении — 12500 × 370 пикселей. Все это достигается практически без паразитных вибраций механической части устройства и при низком энергопотреблении — не более 10 ватт. На мониторе компьютера можно рассмотреть круговую панораму, а также выделить отдельные зоны и активировать детектор движения.

С помощью разработки можно решать разные задачи: обнаруживать замаскированный водный, наземный или воздушный транспорт, охранять инфраструктуру, к примеру заповедники от проникновения браконьеров, или искать пропавших людей и животных.

Разработанное программное обеспечение также позволяет встраивать в систему дополнительные модули интеллектуальной обработки, например модуль локального контрастирования изображения или модуль распознавания объектов.

Как измерить тепловое излучение

Чтобы обнаружить объекты в условиях недостаточной освещенности, тумана, темноты или маскировки, применяют тепловизоры — камеры дальнего инфракрасного диапазона. Они дистанционно измеряют невидимое человеческому взгляду тепловое излучение и за счет разницы температур выделяют конкретные объекты, например сломавшееся перегретое оборудование, трещины при строительстве или потерявшегося человека.

Однако чем шире угол обзора, тем ниже разрешение устройства и его способность обнаруживать объекты на большом расстоянии. Для непрерывного мониторинга с высоким разрешением обширных пространств применяют несколько тепловизоров с относительно малым полем зрения. Но это значительно усложняет систему и увеличивает ее стоимость. Другой способ расширить область обзора, не снижая качества изображения, — последовательно наводить один тепловизор на интересующие объекты. Но в таком случае есть риск пропустить что-то важное.

В системе, которую предложили ученые ИТМО, нужен всего лишь один тепловизор, который при помощи оптико-механической системы непрерывно изучает окружающую обстановку. Разработка спроектирована для работы с доступными тепловизорами неохлаждаемого типа и может долго работать в непрерывном режиме без технического обслуживания.

«Одно из научно-исследовательских направлений нашей лаборатории — создание высокоинтеллектуальных систем технического зрения, — рассказал “Стимулу” Федор Иночкин, руководитель группы разработки международной научной лаборатории “Интеллектуальные оптические системы” ИТМО. — В рамках этого направления мы анализируем различные технические решения, определяем их недостатки и ищем способы эти недостатки устранить. Мы обнаружили, что есть довольно существенный разрыв между возможностями известных конструкций сканирующих оптических систем и возможностями современных оптико-электронных датчиков. Так появилась идея довольно изящного решения по сокращению этого разрыва, которая трансформировалась сначала в научный поиск, а потом в четкую цель».

Руководитель группы разработки международной научной лаборатории «Интеллектуальные оптические системы» ИТМО Федор Иночкин

Предоставлено Ф. Иночкиным

Работает быстрее аналогов

Неохлаждаемый тепловизионный модуль стоит внизу на статичной платформе, а в верхней вращающейся части на подвесе установлено подвижное зеркало. Строение устройства немного напоминает перископ. Подвижное зеркало кратковременно отклоняет определенным образом оптическую ось системы, тем самым компенсируя вращение подвижной части при экспонировании (фиксации) каждого кадра. Последовательность высококачественных кадров передается на компьютер и объединяется в единую панораму. Для этого исследователи разработали программное обеспечение, которое очень точно синхронизирует работу оптико-механической части устройства, принимает полученный сигнал и обрабатывает его.

«Представьте, что у вас есть видеокамера и вы быстро поворачиваетесь, пытаясь заснять панораму окружающей обстановки, — поясняет Федор Иночкин. — По мере увеличения скорости вращения вы обнаружите на исходных кадрах изображения “смаз”. Теперь представьте, что видеокамера фиксирует изображение через подвижное зеркало, которое отклоняет оптическую ось в сторону, противоположную направлению вращения, и делает это ровно с той же скоростью, причем синхронно с накоплением сигнала на матрице видеокамеры. В результате изображение “замирает”, что позволяет накопить достаточный уровень сигнала без “смаза” изображения. После накопления кадра подвижное зеркало “перебрасывается” на новую позицию, и процесс повторяется заново».

Идея очень простая, но для ее реализации требуется исключительно высокая степень синхронизации работы элементов. Команда разработчиков провела объемную научно-исследовательскую работу, ее результатом стали алгоритмы, которые лежат в основе функционирования изделия. Например, эти алгоритмы обучаются малейшим (и неизбежным) отклонениям в работе механических узлов системы по показаниям оптических датчиков и корректируют сигналы управления так, чтобы компенсировать эти отклонения.

«Немаловажный фактор — влияние вибраций от быстро движущихся с переменной скоростью элементов, — рассказывает Федор Иночкин. — Чтобы свести его к минимуму, потребовалось реализовать специальные методы управления, учитывающие (и использующие) инерционность подвижных элементов. Другой важной особенностью изделия является высокая надежность конструкции устройства: в нем нет шестерней, ремней, рычагов и прочих элементов, которые могут быть источником поломок при длительной эксплуатации. Все элементы приводятся в движение исключительно прямым воздействием управляемых магнитных полей. Дополнительно надежность повышает и стационарное расположение тепловизора, что позволяет исключить из системы скользящий контакт».

Эффективная площадь, которую можно охватить одним устройством «ГироВизор-Т», во многом определяется фокусным расстоянием объектива устройства. Для экспериментального образца разработчики выбрали тепловизионный объектив с фокусным расстоянием 35 мм. С его помощью человека можно обнаружить на расстоянии до 500‒700 м (в условиях прямой видимости на контрастном фоне), а технику размером с автомобиль — до полутора километров. Но многое, по словам ученых ИТМО, зависит от теплового распределения фона, контраста объекта и прочих факторов. Например, при наличии движения можно обнаружить и те объекты, которые на статическом тепловизионном изображении неотличимы от фона.

«Безусловно, наибольшую эффективность устройство будет обеспечивать в системе из нескольких связанных сетевых модулей, — поясняет Федор Иночкин. — Это одно из осваиваемых нами направлений дальнейшего развития. Наличие нескольких устройств, объединенных в одну сеть, позволит не только покрыть большую площадь, но и определить координаты объектов в зоне наблюдения. Помимо этого элементами сети могут быть устройства других типов, например длиннофокусные системы на опорно-поворотных устройствах, с помощью которых можно будет детально рассмотреть объекты, обнаруженные на панорамных изображениях системы “ГироВизор-Т”».

За рубежом сканирующие системы, в том числе тепловизионные, предлагают несколько производителей — это фирмы из Франции, США, Китая. Если говорить о высокоскоростных системах с непрерывным движением, то они по большей части сделаны на базе охлаждаемой тепловизионной технологии. Матрицы таких приборов имеют настолько высокую чувствительность, что полезный сигнал успевает практически мгновенно накопиться, при этом даже нет необходимости компенсировать вращение. Однако такие матрицы требуется охлаждать до криогенных температур, что приводит к существенно более высокой стоимости изделия и накладывает ограничения на время непрерывной работы.

«Технология матриц на основе неохлаждаемых микроболометров, которая используется и в нашей разработке, лишена этих недостатков, хотя и существенно проигрывает в чувствительности, — рассказывает Федор Иночкин. — Именно поэтому нужно накапливать сигнал относительно длительное время (десятки миллисекунд), что достигается в аналогичных нашей системе разработках путем дискретного перемещения оптической оси системы с остановкой в точках экспозиции кадров. Проблемой такого подхода являются относительно высокая инерция подвижных элементов, что в известных нам аналогах ограничивает частоту кадров приблизительно до 10 герц. Мы получаем 17 герц при непрерывном вращении и отсутствии вибраций (и далее ограничены возможностью тепловизора, а не механики)».

Впереди — серийное производство

Ученые ИТМО показали свое устройство на выставке «Интерполитех-2023», и сразу несколько научно-производственных предприятий выразили заинтересованность в его серийном производстве. Сейчас исследователи занимаются формированием будущего облика изделия в серийном исполнении, проводят дополнительные испытания, чтобы определить применимость в той или иной области.

«Если говорить про техническую составляющую, то в основном она связана с развитием программного обеспечения, — отмечает Федор Иночкин. — Во-первых, мы планируем повысить обнаружительные характеристики системы за счет специальной обработки сигналов. Во-вторых, планируем внедрить в программное обеспечение дополнительные интеллектуальные функции, такие как сопровождение и классификация объектов в поле зрения системы. Третье направление нашей работы — переход к сетевому решению».