На подступах к объекту. Серкеты охранного тепловидения - 2

Обнаружить, распознать, принять решение

В продолжение серии публикаций о тепловизионной технике, начатой нами в предыдущем номере Security News, сегодня мы «пощупаем» практические применения охранного тепловидения. Судя по росту присутствия этой техники на отраслевых выставках, привлекательность тепловизоров стала достаточно очевидной.

Растут популярность и продажи, тепловизионное оборудование в нашей отрасли перестает считаться экзотикой. На принятие решений о приобретении техники существенно влияет открытая информация о применении тепловизоров в схемах защиты крупных производств и критически важных объектов инфраструктуры.

В России за последние три года наблюдаются рекордные темпы роста продаж тепловизионного оборудования и готовых систем — до ста процентов в год. Немало тому способствуют уникальные свойства этих продуктов, позволяющие применять их не только в целях охраны, но и для раннего обнаружения производственных опасностей — например, утечки теплоносителей, перегрева электропроводки и т.п. А в росте популярности тепловизоров бюджетного класса сыграли свою роль минимизация и снижение уровня цен.

Появились даже ОЕМ-тепловизоры! Один из немногих факторов, несколько омрачающих картину победного шествия тепловизоров по областям применения и территориям, специалисты считают досадным недоразумением. В России тендеры на оснащение госструктур средствами охраны принято проводить по сумме начальных затрат на приобретение, инсталляцию и в лучшем случае — на ввод в действие оборудования. А тепловизоры выигрывают на длинной дистанции — за счет снижения общей стоимости владения.

Работая в паре с обычным охранным видеонаблюдением, эти устройстваокупают себя в основном за счет снижения рисков. Однако расчет рисков в экономических категориях — это для большинства госзаказчиков пока еще «китайская грамота». Впрочем, среди российских адресатов поставки оборудования значатся пограничная служба, ФСБ, ФСО — а подробности инсталляций силовых ведомств в нашей стране не принято разглашать. Известно лишь, что используемые на сухопутных и морских границах системы несколько разнятся по характеру применяемого тепловизионного «железа» — на водных границах используются в основном охлаждаемые тепловизоры благодаря их большей дальности действия. С сухопутными рубежами Родины — чуть сложнее. Оптимизация схем охраны с применением тепловизоров, по имеющимся у нас данным, пока еще слабо отработана, поскольку применение техники должно рассматриваться вкупе с оперативными схемами несения служб, принятия решений, реагирования и т.п. Технически возможно реализовать практически любую конфигурацию с применением стационарных, мобильных и портативных тепловизоров. Намного сложнее решить вопрос об обработке данных наблюдения и эффективном сочетании тепловизоров с прочими средствами охраны: на каждом конкретном объекте это приходится делать в индивидуальном порядке.

В нефтяной отрасли тепловизионные установки получили значительное распространение благодаря эффективности сочетания в них производственных и охранных качеств. На нефтеперерабатывающих заводах традиционным применением тепловизоров, помимо охраны, стал контроль уровня налива цистерн.

Большинство решений охранных систем для железнодорожного транспорта, в том числе и отечественных, учитывает необходимость применения тепловизионного контроля: это наиболее экономически оправданный способ предотвратить утечку нефтепродуктов в процессе перевозки — его использует около половины предприятий отрасли. Аналогично борются и с кражами: в пустой согласно документам цистерне может несанкционированно вывозиться топливо. При этом мониторинг осуществляет видеоаналитика (номера единиц подвижного состава распознаются автоматически), а сгенерированные программой сигналы тревоги поступают на пульт охраны. Благодаря контролю налива цистерн облегчаются и процедуры учета транспортируемых продуктов.

Экономическая эффективность охранной системы

Экономическая эффективность любой охранной системы рассчитывается путем оценки предотвращенных потерь. Объяснить это можно на простом примере: перед заполнением нефтепродуктами танкер должен выполнить промывку баков. Эта довольно дорогостоящая процедура производится в порту, однако, ей есть незаконная и беспринципная альтернатива — сброс содержимого баков в воду. Стоимость очистки акватории после подобного сброса, равно как и штрафы за такое правонарушение, — во много раз больше стоимости промывки наливных емкостей.

Тепловизор окупается сразу после первого инцидента

Обнаружить и доказать инцидент такого рода непросто, однако, тепловизоры и днем, и ночью очень хорошо фиксируют масляные следы на водной поверхности. Тепловизионная система, несмотря на свою немалую стоимость, окупается после первого же выявленного случая сброса нефтепродуктов с судна в воду. Подобным образом оправдываются и системы контроля заполнения цистерн: стоимость одной цистерны бензина, кража которой была предотвращена, превышает цену описанного выше решения.

Тепловизоры на критически важных объектах

Сообщается и о применении тепловизионных систем на ряде крупных атомных электростанций. Традиционная закрытость этой индустрии и ее подконтрольность международным надзорным органам позволяют предположить, что мировой опыт решений, касающихся охраны и безопасности, здесь распространяется несколько быстрее, чем в прочих секторах. К категории критически важных объектов инфраструктуры, в охране которых доказало свою целесообразность применение тепловидения, относятся и гидроэлектростанции.

Аэропорты одними из первых испытали прессинг террористической угрозы — и успешные инсталляции тепловизионных систем, осуществленные в ряде крупнейших мировых аэропортов, впечатлили и отечественных заказчиков. В апреле-мае этого года в аэропорту Сургута «полной победой тепловизоров» завершились испытания сразу нескольких охранных приборов. На испытаниях присутствовали представители ряда крупных сибирских аэропортов — включая Новосибирск и Екатеринбург. Задания и условия тестов были весьма непростыми, однако все сомнения потенциальных заказчиков были развеяны.

Тепловизоры на защите памятников архитектуры

Помимо критически важных объектов инфраструктуры, под защиту тепловизоров «просятся» и памятники архитектуры. Один из недавних примеров — инсталляция в заповеднике деревянного зодчества «Кижи». На знаменитом острове в районе Кижского погоста московской компанией «Пергам-Инжиниринг» был установлен оригинальный тепловизор «Титан-36», разработанный инженерами компании.

Во время испытаний тепловизионный прибор был подключен к действующей системе видеонаблюдения — в результате, помимо «обычных» преимуществ тепловизионного мониторинга, было отмечено и резкое снижение частоты ложных тревог. Уже рассматривается вопрос о приобретении сразу нескольких таких устройств: имеющие высочайшую историческую ценность сооружения должны надежно охраняться.

Вдвойне это касается деревянных зданий — ведь одна из особенностей тепловизоров состоит в том, что они позволяют предупреждать возгорание, «диагностируя» опасное повышение температуры, в то время как все остальные технические средства охраны способны сигнализировать о тревоге только тогда, когда на объекте уже возник пожар.

Частное применение

Рост благосостояния отдельных слоев населения нашей страны позволяет выделить как перспективный сектор тепловизионного рынка то, что на английском языке называется словом «luxury». Типичный пример подзащитного — элитный яхтклуб. С точки зрения охраны такой объект неимоверно сложен — кроме территории с эллингами и коттеджами, в него входит еще и акватория с весьма дорогостоящими яхтами.

Для злоумышленников, однако, привлекательность объектов роскоши остается неизменно высокой: хозяева навещают свои владения не так уж часто, а освещенность объектов не всегда поддерживается настолько высокой, чтобы обеспечить эффективное применение обычных камер видеонаблюдения.

Беря на контроль такие объекты, охранные компании немало рискуют и потому нередко «перезакладываются» на дополнительные группы патрулирования, операторов, добавочное освещение и т.д.

Тепловизионные системы в таких условиях — действенная альтернатива, свободная от «человеческого фактора». В схемах охраны частных владений все чаще используются миниатюрные тепловизоры с углом обзора 180 градусов, которые в одной из наиболее распространенных схем работают во взаимодействии с длиннофокусными тепловизионными камерами и обычным CCTV. При появлении в зоне обзора широкоугольного тепловизора объекта, который можно классифицировать как угрозу, срабатывает видеоаналитика, и на цель одним и тем же поворотным устройством наводится пара камер — длиннофокусная тепло- плюс высокочувствительная теле- с вариообъективом.

Тепловизор и охрана недвижимости

Кроме этого, когда речь заходит об охране недвижимости — коттеджных поселков или многоквартирных домов верхнего ценового сегмента, — у тепловизоров появляется еще два далеко не очевидных на первый взгляд преимущества. Чтобы быть уверенным в том, что оператор не будет рассматривать особенности фигуры молодой жены хозяина дорогого особняка, в системах видеонаблюдения приходится определять так называемые «зоны приватности» — области поля зрения камеры, закрываемые накладываемой программным образом маской.

Тепловизоры же не «видят» сквозь стекло. Однако, если хулиган разобьет окно камнем, маска на картинке от телекамеры скроет и это — но на экране тепловизора изображение оконного проёма моментально изменится.

Во-вторых, тепловизоры практически не различают человеческие лица, за исключением случая, когда съёмка ведётся с очень близкого расстояния. Для решения задач по охране периметра или контролю над территорией определение личности будет в большинстве случаев избыточным; наоборот, оперирование «личностями» во многих случаях может быть неэтичным. Возможно, проблема соблюдения этики невмешательства в частную жизнь своих клиентов еще довольно нова для российских инсталляторов, но надуманной она не является — это продемонстрировал зарубежный (в частности, британский) опыт эксплуатации охранных систем.

Не стоит думать, что в культурном контексте нашей страны подобные вещи не возникают — наоборот, в том ценовом сегменте, где применяются тепловизоры, требуется максимальное соответствие правовому полю. Грань между обеспечением безопасности и вторжением в частную жизнь очень тонка, и можно сказать, что граница возможностей тепловизоров проходит как раз по ней.

На каком расстоянии «видит» тепловизор?

Потенциальные покупатели тепловизионных камер спрашивают об этом весьма часто. Такой вопрос вполне оправдан, однако однозначно ответить на него не представляется возможным: скажем, любой тепловизор в состоянии «разглядеть» Солнце, находящееся от Земли на расстоянии 146 миллионов километров. Означает ли это, что на таком расстоянии любой тепловизор окажется в состоянии определять события, представляющие угрозу для безопасности охраняемого объекта? Очевидно, нет.

Если сторожевые вышки располагаются одна от другой на расстоянии 4-х и более километров, то для гарантированного обнаружения целей установленная на них техника должна «видеть» на расстоянии более 2-х километров. Поэтому критически важно быть уверенными, на каком расстоянии ваш охранный тепловизор сможет устойчиво определять потенциальные угрозы. Дистанцию обнаружения цели в тепловидении принято также называть радиусом действия прибора. Правильное определение радиуса требует весьма сложного моделирующего расчета. Среди факторов, которые необходимо учесть в ходе вычислений, — тип камеры и объектива, характер и размеры объектов, которые, возможно, предстоит обнаруживать, погодные условия, а также, собственно, и разрешение, которого вам достаточно, чтобы «разглядеть» цель.

«Разглядеть»

Для того чтобы определить, что для вас означает «разглядеть» объект, можно воспользоваться так называемыми критериями Джонсона, разработанными для использования в военных целях, но вполне применимыми и на гражданских объектах. Из перечисленного ряда выберите ту оперативную схему, которой будут пользоваться на практике операторы вашей системы видеонаблюдения:

1. ОБНАРУЖЕНИЕ

Чтобы определить факт наличия объекта в поле зрения, минимальное из его измерений должно быть представлено на операторском экране полутора или более пикселами.

2. РАСПОЗНАВАНИЕ

Распознать объект — значит, классифицировать его по типу. То есть оператор должен мгновенно определить по изображению, попал ли в кадр человек, автомобиль или животное. Считается достаточным, чтобы критический размер объекта составлял 6 и более пикселов.

3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ

Этот термин нередко используется военными, чтобы определить, принадлежит ли объект противнику или «нашим». Чтобы идентифицировать цель, ее критический размер должен быть представлен 12-ю и более пикселами.

Эти критерии обеспечивают 50-процентную вероятность того, что оператор примет верное решение, исходя из картинки на экране.

Приведем пример: взрослый человек имеет габариты 1,8х0,5 м. «Критический размер» его, согласно эмпирическим данным, полученным с помощью опроса операторов охранных систем, составляет 0,75 м. Представьте себе тепловизионную систему, которая имеет достаточное разрешение, чтобы представить удаленный на 1 км объект протяженностью 0,75 метра шестью пикселами. Если при этом изображение объекта в достаточной степени контрастирует с фоном, то такая система имеет высокую вероятность распознавания объектов на расстояниях до 1 км. В практике компании FLIR Systems принято определять радиус действия тепловизионных камер через расстояние, на котором прибор обнаруживает человека при достаточной термической контрастности. В зависимости от размеров объектива, камеры FLIR способны обнаруживать активность людей, находящихся на расстоянии до нескольких километров. Естественно, объекты больших размеров могут быть обнаружены на больших дистанциях.

Фокусное расстояние объектива тепловизора

Радиус действия камеры находится в прямой зависимости от этого параметра. Фокусное расстояние определяет так называемый мгновенный сектор обзора (IFoV) системы — ее угловое разрешение, обеспечиваемое при достаточном тепловом контрасте. А этот параметр, в свою очередь, определяет расстояние, на котором критический размер объекта будет представлен достаточным количеством пикселов, чтобы можно было обнаружить, распознать либо идентифицировать цель. Чем выше фокусное расстояние, тем меньше угловое разрешение. Охранные тепловизионные системы дальнего радиуса действия — например, находящиеся на вооружении погранвойск — требуют весьма малых значений IFoV. Длиннофокусные объективы, как это известно из оптики, имеют и меньший общий угол обзора.

Компромисс между радиусом действия и зоной обзора достаточно критичен при выборе системы. В предельном случае вы будете четко видеть цель, но не иметь понятия о том, где именно она находится: представьте, что вы разглядываете морской пейзаж через соломинку для коктейля! В результате приходится укомплектовывать многие из тепловизионных систем объективами с переменным фокусным расстоянием.

Вернемся к уже знакомому нам примеру — человеку, находящемуся от нас на расстоянии километра. Определим его угловой размер через критический размер и дистанцию: 0,75 м/1000 м = 0,75 рад. Для его эффективной идентификации необходимо, чтобы система «выдавала» изображение 75-сантиметрового отрезка, находящегося в 1000 м, в 12-ти пикселах. Обратите внимание, что в приведенном контексте идентификация не означает, что мы сможем узнать человека в лицо. Мы всего лишь сможем определить, что он держит в руке — АКМ, БСЛ или свежий номер Security News. Допустим, у нашей с вами тепловизионной системы фокусное расстояние объектива составляет 500 мм, а шаг термочувствительной матрицы — 15 микрон. То есть угловое разрешение составит 30 мрад на пиксел. Количество пикселов, приходящееся на цель, подсчитывается делением ее углового размера на угловое разрешение. 750 мрад / 30 мрад/пиксел = 25 пикселов — более чем достаточно для идентификации по критерию Джонсона.

Охлаждаемые и неохлаждаемые камеры

Это также влияет на радиус действия — более дорогостоящие охлаждаемые тепловизоры в большинстве комбинаций условий наблюдения «видят» дальше.

Типичный шаг матрицы для охлаждаемых камер составляет 15 микрон на пиксел. Несложные вычисления показывают, что с применением объектива с фокусным расстоянием 500 мм мы получим 12 пикселов поперек 75-сантиметровой цели на расстоянии 2,1 км. Рассчитаем тот же параметр для неохлаждаемой камеры, исходя из наиболее распространенного шага матрицы — 38 мкм. Дистанция идентификации, соответствующая приведенному примеру, здесь составит уже 0,8 км. Однако еще более важным является то, что объективы неохлаждаемых камер с таким фокусным расстоянием практически бесполезны — относительное отверстие объектива приходится делать весьма малым, чтобы обеспечить характеристики чувствительности, сопоставимые с охлаждаемыми камерами. Это означает, что 500-миллиметровый длиннофокусный объектив с относительным отверстием F/1.6 будет иметь диаметр в 313 м. При существующих ценах на тепловизионную оптику такой объектив обойдется вам в почти астрономическую сумму. Применение его «съест» все средства, что вы сэкономите за счет использования более дешевых неохлаждаемых матриц. Максимальное фокусное расстояние объективов неохлаждаемых камер, выпускаемых промышленностью, составляет 367 мм — значит, в нашем примере радиус идентификации системы составит всего лишь 600 метров.

Вывод? Для достижения максимальных радиусов действия тепловизионных установок целесообразнее применять охлаждаемые камеры — в частности, это подтверждается при работе в средневолновом диапазоне при большой влажности воздуха.

Погодные условия

Несмотря на то, что тепловизионные камеры способны работать в полной темноте, а также в условиях относительно легкого тумана, дождя и снега, на дальность обнаружения целей влияют и атмосферные условия. Даже в ясную погоду происходит поглощение теплового излучения атмосферой — следовательно, при удалении объекта от камеры возрастают и потери полезного сигнала. Дождь и туман делают весьма интенсивным рассеяние лучей — во многих случаях плотный туман способен снизить радиус действия тепловизоров до километра и менее.

Более густые осадки с большими размерами частиц не только рассеивают тепловое излучение, улавливаемое камерами, но и охлаждают поверхность самого объекта съемки, снижая при этом термическую контрастность. Однако даже при работе в самых жестких условиях тепловизионные системы «пропорционально» сохраняют преимущество перед видеонаблюдением в лучах видимого света.

И все-таки, как далеко «видит» тепловизор?

Действительно, на радиус действия установок влияет очень много параметров — как самих тепловизионных систем, так и их окружения. Кроме того, что мы рассмотрели на примерах, на конечный результат влияют: состояние объекта (припаркованный автомобиль или находящийся в движении), свойства фона (снежная равнина или пустыня), комбинация конкретных моделей камерной головки и объектива и др. Если ответ на этот вопрос для вас представляет важность (например, при принятии решения о приобретении тепловизионной охранной системы), самое правильное — это обратиться к инженерам, представляющим компанию-разработчика. Специалисты компании «Пергам» всегда помогут своим клиентам произвести все необходимые расчеты, привязанные к конкретной специфике.

Андрей Коломыйцев (Security News)