Цифровое ночное видение
1. Захват изображения
Компонент: датчики изображения ПЗС/КМОП
Научная основа: фотоэлектрический эффект и физика полупроводников
Цифровое ночное видение начинается с фотоэлектрического преобразования падающих фотонов.
Когда фотоны попадают на фотодиоды в датчике изображения на основе прибора с зарядовой связью (ПЗС) или комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник (КМОП), они передают свою энергию электронам в решетке полупроводника посредством фотоэлектрического эффекта.
При этом образуются пары электрон-дырка, создающие электрический ток, пропорциональный интенсивности падающего света.
Квантовая эффективность (QE) определяет, насколько эффективно датчик преобразует фотоны в электроны, что особенно важно в условиях низкой освещенности.
Спектральная чувствительность датчика определяет его способность обнаруживать как видимые, так и ближние инфракрасные (БИК) длины волн.
ПЗС-матрицы передают заряд через кристалл к общей точке считывания, обеспечивая высокую точность изображения, но и более высокое энергопотребление.
КМОП-датчики имеют интегрированные функции усиления и оцифровки, что обеспечивает более быстрое и эффективное попиксельное считывание.
По сути, этот этап преобразует низкоуровневую оптическую энергию в электрический сигнал, поддающийся цифровой интерпретации.
2. Обработка сигналов
Компонент: Блок обработки изображений (цифровой сигнальный процессор - DSP)
Научная основа: теория цифровых сигналов и алгоритмы преобразования изображений
Слабые и потенциально зашумленные электрические сигналы от датчика изображения подвергаются преобразованию в реальном времени в DSP или ASIC с использованием сложных алгоритмов цифровой фильтрации и улучшения.
Ключевые теоретические операции включают в себя:
-
Подавление шума с помощью пространственных фильтров (например, гауссово размытие, двусторонние фильтры) или временных фильтров (фильтрация шума с компенсацией движения) для подавления стохастического шума датчика.
-
Повышение контрастности за счет выравнивания гистограммы или адаптивной тональной компрессии для улучшения видимости деталей в областях со слабым освещением.
-
Гамма-коррекция для регулировки яркостной характеристики и линеаризации воспринимаемой яркости.
-
Ядра обнаружения краев и повышения резкости часто применяются для улучшения контуров объектов и улучшения распознавания целей.
На этом этапе необработанный электрический сигнал преобразуется в цифровое изображение с высоким динамическим диапазоном, что обеспечивает оптимальную интерпретацию в условиях недостаточного освещения.
3. Отображение и вывод изображения
Компонент: OLED или ЖК-дисплей
Научная основа: электролюминесценция и модуляция жидких кристаллов
После обработки цифровые данные изображения визуализируются с помощью устройства отображения:
-
В дисплеях на органических светодиодах (OLED) пиксели изображения излучают свет посредством электролюминесценции — испускания фотонов органическими полупроводниками под воздействием электрического поля.
-
В ЖК-дисплеях (жидкокристаллических дисплеях) молекулы жидких кристаллов вращают поляризованный свет при приложении электрического поля, модулируя свет от источника подсветки.
Кодировка цвета и яркости синхронизируется с данными цифрового сигнала для воссоздания представления запечатленной сцены в реальном времени.
Регулируемые параметры контрастности, яркости и гаммы позволяют адаптироваться к потребностям пользователя и освещенности окружающей среды.
4. Инфракрасное освещение
Компонент: инфракрасная светодиодная матрица
Научная основа: физика твердотельной электролюминесценции и ближнего ИК-излучения
В условиях отсутствия естественного освещения необходимо активное освещение.
Инфракрасные светодиоды излучают свет с длиной волны 800–950 нм, который невидим для человеческого глаза, но обнаруживается датчиками изображения.
Эти светодиоды работают по принципу излучательной рекомбинации, при которой электроны и дырки рекомбинируют в полупроводниковом материале, испуская фотоны.
Настройка длины волны достигается путем выбора материалов с определенной шириной запрещенной зоны (например, GaAs или InGaAs).
Эффективность освещения регулируется законом обратных квадратов и отражательной способностью поверхности, определяющими, как инфракрасный свет отражается от объектов и возвращается к датчику.
Это невидимое излучение создает активное световое поле, что делает возможным пассивное получение изображения даже в полной темноте.
5. Улучшение изображений и постобработка
Компонент: усовершенствованный DSP или встроенная ASIC
Научная основа: алгоритмы компьютерной визуализации и улучшения в реальном времени
В цифровых системах ночного видения, помимо базовой обработки сигнала, существует продвинутый этап вычислительного усовершенствования:
-
Масштабирование изображений с помощью алгоритмов интерполяции или сверхвысокого разрешения позволяет получать детали с более высоким разрешением.
-
Шумоподавление с учетом краёв изображения гарантирует сохранение важных структурных особенностей.
-
Спектральная фильтрация может использоваться для выделения и усиления определенных длин волн (например, для различения растительности от металла).
-
Алгоритмы анализа сцены в реальном времени могут классифицировать и аннотировать объекты (например, обнаружение движения, анализ теплового контраста).
Эти системы используют методы машинного зрения, улучшая не только видимость, но и интерпретацию сцены, что имеет решающее значение для наблюдения и тактических задач.
II. Научное сравнение: цифровое и традиционное ночное видение
А. Фундаментальный операционный механизм
Традиционное ночное видение (электронно-оптический преобразователь – ЭОП)
Основано на электронной оптике и усилении света с помощью микроканальных пластин (МКП).
Фотоны ударяются о фотокатод, высвобождая электроны посредством внешнего фотоэффекта.
Электроны умножаются с помощью МКП, а затем снова преобразуются в фотоны на фосфорном экране, видимом пользователю.
Этот аналоговый процесс усиливает существующий свет, но его эффективность ограничена, когда фотоны отсутствуют (т. е. в полной темноте).
Цифровое ночное видение
Основан на прямой цифровой обработке изображений с использованием датчиков CCD/CMOS и инфракрасной подсветки.
Фотоны напрямую преобразуются в цифровые сигналы и обрабатываются алгоритмически, независимо от аналоговой электронной оптики.
Б. Чувствительность и адаптивность
ЭИП чувствительны к видимому свету, но не все способны обнаруживать ближний инфракрасный диапазон.
Цифровые датчики могут быть широкоспектральными (видимый + ближний ИК), с настройкой производительности с помощью программного и аппаратного обеспечения.
C. Обработка и функциональность
Традиционные устройства ограничены своей аналоговой природой — они ограничены в обработке, хранении и интерфейсе.
Цифровые системы поддерживают расширенные функции, такие как:
-
Запись видео (через встроенную память или внешние интерфейсы)
-
Аналитика в реальном времени
-
Беспроводная передача
-
Машинное распознавание
Тепловизионные приборы ночного видения
Тепловизионные приборы ночного видения не используют свет так, как традиционные приборы ночного видения.
Вместо этого они улавливают тепло (инфракрасное излучение), исходящее от всего — людей, животных, машин, зданий, — и преобразуют это невидимое тепло в изображение, которое вы можете видеть.
Ниже приведен пошаговый обзор того, как все части устройства работают вместе, делая это возможным:
1. Обнаружение тепла – тепловой датчик
Микроболометр (тепловой датчик)
Все вокруг нас излучает тепло, даже в темноте.
Микроболометр — это датчик внутри устройства, который обнаруживает это тепло, даже если разница незначительна.
Он состоит из тысяч мельчайших единиц, называемых пикселями.
Каждый пиксель поглощает тепло от того, на что он направлен.
При поглощении тепла его температура немного меняется, что приводит к изменению его электрического сопротивления.
Это изменение позволяет устройству определить, насколько горячей или холодной является каждая часть сцены.
Эта тепловая информация преобразуется в сигнал — своего рода температурную карту, составленную из мельчайших электрических измерений.
2. Преобразование сигнала – из аналогового в цифровой
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
Сигнал от теплового датчика по-прежнему представляет собой постоянное напряжение.
Итак, АЦП (аналого-цифровой преобразователь) вступает в действие, чтобы:
-
Измеряйте эти электрические сигналы на очень высоких скоростях (много раз в секунду).
-
Преобразуйте каждое измерение в цифровое число.
Теперь вместо неопределенных сигналов система имеет сетку цифровых значений температуры — по одному на каждый пиксель.
Эти цифровые числа отображают, насколько горяча или холодна каждая часть изображения, и именно эти данные используются на следующем этапе для построения реального изображения.
3. Обработка изображения – придание ему четкости
Процессор изображений (DSP или FPGA)
На этом этапе устройство располагает необработанными тепловыми данными — цифровым изображением, составленным из тепловых значений, — но их пока нелегко увидеть или понять.
Вот тут-то и вступает в дело процессор обработки изображений.
Эта часть в реальном времени творит чудеса, превращая числа в чёткую картинку. Вот что она делает:
а. Повышение контрастности
Разница температур в кадре может быть очень незначительной, поэтому изображение может выглядеть плоским или тусклым. Процессор:
-
Визуально расширяет диапазон температур.
-
Делает теплые области еще теплее, а холодные — еще прохладнее.
Это помогает вам четко видеть края, объекты или живые существа, которые в противном случае были бы незаметны.
б. Шумоподавление
Небольшие электрические колебания могут создавать случайные пятна или «статичные» помехи на изображении.
Процессор использует специальное программное обеспечение, чтобы сгладить это, не удаляя реальные детали.
c. Неравномерная коррекция (NUC)
Не все пиксели сенсора реагируют одинаково — некоторые могут быть слишком яркими или слишком темными.
Процессор корректирует эти различия, благодаря чему изображение в целом выглядит ровным и сбалансированным.
г. Цветовые режимы (псевдоцветовое отображение)
Поскольку на самом деле мы не можем «видеть» тепло, процессор присваивает различным температурам цвета или оттенки.
-
Раскаленный добела: Горячие области отображаются белым цветом, холодные области — черным цветом.
-
Раскаленный добела: Противоположность раскаленного добела.
-
Цветовые палитры: например, «радуга» или «железный лук», где цвета позволяют выделить детали.
Эти цветовые режимы не изменяют данные — они просто облегчают вашим глазам и мозгу распознавание закономерностей и различий.
Весь этот процесс происходит очень быстро, поэтому то, что вы видите на экране, происходит в реальном времени, по мере обнаружения.
4. Отображение изображения — демонстрация того, что видит датчик
Ключевая часть: OLED или ЖК-дисплей
После обработки и улучшения изображения оно отправляется на экран вашего устройства.
Экран OLED (органический светодиод) излучает собственный свет и демонстрирует четкие изображения с высокой контрастностью.
ЖК-дисплей (жидкокристаллический дисплей) использует подсветку и фильтры для отображения изображения.
Оба типа экранов подсвечивают отдельные пиксели на основе обработанных тепловых данных, создавая тепловое изображение, которое вы видите.
Обычно вы можете регулировать яркость, контрастность и даже переключаться между цветовыми режимами в соответствии с окружающей обстановкой.
5. Дополнительные функции — больше, чем просто просмотр
Основные части: встроенный микроконтроллер, хранилище, GPS, Wi-Fi и т. д.
Многие современные тепловизионные устройства включают в себя интеллектуальные функции для дополнительного удобства и функциональности:
-
Фото- и видеосъемка — сохраните то, что вы видите.
-
Wi-Fi или Bluetooth — подключите тепловизор к телефону или планшету.
-
GPS-метки — отметьте место своих наблюдений.
-
Лазерный дальномер — измеряет расстояние до объекта.
Все эти функции контролируются внутренним устройством, называемым микроконтроллером.
Устройство оснащено специализированным программным обеспечением, обеспечивающим бесперебойное управление каждой функцией во время его использования.