Как видят ночью разные камеры и приборы?

из песочницы
Pyhesty 13 января в 20:02 24,6k
Существует достаточно большое количество вариантов видеть ночью. Это или взять прибор ночного видения, или тепловизор, или ночной прицел с подсветкой, или, может быть, камеру с электронным умножением на EMCCD. К сожалению, не всегда все камеры и приборы оказываются под рукой одновременно, и их обычно не удаётся сравнить между собой.

К счастью, нам повезло, и у нас появилась такая возможность. Более того, повезло, что погода позволила воссоздать эталонные условия для проведения сравнительных испытаний. Луна отсутствовала, небо было чистое, и нужно было только выехать за город, подальше от искусственного освещения.

Итак, что же у нас было с собой:

1.1 ЭОП – электронно-оптический преобразователь третьего поколения. Лучший из всех приборов типа ЭОП, с которыми приходилось сталкиваться. Очень сложно создать условия, при которых он ничего не видит. Разрешение ЭОП 68лин/мм. Максимум спектральной чувствительности должен быть в районе 800нм. ЭОП состыкован с камерой VC249 на базе малошумящего сенсора. Разрешение камеры значительно выше разрешение ЭОП, поэтому камера не влияет на результат.

1.2 VS320 – камера ближнего ИК-диапазона (SWIR) с чувствительностью в диапазоне спектра от 0.9 до 1.8 мкм. Спектральная чувствительность практически плоская. Разрешение 320х256, размер фоточувствительного элемента 25х25мкм.

1.3 VC400 – «обычная» камера видимого диапазона на базе кремневой структуры. «Обычная» в кавычках, потому что это камера для проведения астронометрических наблюдений с обратной засветкой. Разрешение 2000х2000, размер фоточувствительного элемента более 10мкм. Максимум спектральной характеристики в районе 550нм.

Все камеры разработаны и произведены в России, но это не должно никого смущать, так как элементная база (за исключением ЭОП) вполне себе импортная.

Условия съёмки:

1. Дата: ночь с 8 на 9 января 2018.
2. Широта около 58 градусов, долгота около 31 градуса.
3. Безлунная звездная ночь.
4. Проницаемость неба до 19зв.в. (косвенная оценка).
5. Освещенность на уровне земли (точнее снега): 2.5нВт/см^2 (или некоторые условные 4млк).
6. Время экспозиции всех приборов 40мс, что соответствует частоте кадров 25Гц.

Сразу предвосхищу вопросы по части освещенности на местности, мы уже намучились с фотометрическими величинами (люксы, канделы…), которые не позволяют сравнивать камеры между собой, и поэтому используем в большей части радиометрические или натуральные (вроде «звездная ночь», «полная луна»), в данном случае это звездная ночь без луны.

Сцена была сформирована классическим образом: «ночь, улица, фонарь...» и ваш покорный слуга с таблицей. Собственно, так как многие уже заждались картинок, то не считаю возможным задерживать.

По очереди: вот кадр с ЭОП:



Вот кадр с VS320 (SWIR):


А вот VC400 (видимый диапазон)



К сожалению, углы поля зрения разные, но подобрать все три светосильных объектива (около единицы), которые бы обеспечивали одинаковые поля зрения, возможности не было.

Многие зададутся вопросом, зачем в руках этот ужасный фонарь? На самом деле это не фонарь, это очень слабый светодиод, обёрнутый в ткань, для обеспечения свечения во все стороны, и он нужен, чтобы подтвердить короткое время экспозиции. Смаз фонаря на кадре соответствует времени экспозиции 40мс:


Отсутствие луны подтверждается отсутствием тени от объектов.

А так выглядят более крупные объекты (по порядку ЭОП, видимый, ИК)


Из особенностей, которые можно заметить: небо в ближнем ИК диапазоне (до 2мкм) действительно очень яркое…

Также некоторые могут подумать, что VS320 в ближнем ИК диапазоне не видит звезды, но они в этих кадрах не в фокусе, если навести фокус, то звезды вполне себе видны:



Во всём видео есть ещё один занимательный кадр:


У камеры VS320 в ближнем ИК светится окно, а в видимом диапазоне нет. Несмотря на то, что камера VS320 не тепловизор (в классическом понимании), её чувствительности достаточно, чтобы заметить освещение от остывающей печки в доме.

Для желающих посмотреть видео со всех каналов одновременно (в формате full hd), оно доступно по ссылке.

Для читателей, имеющих обыкновение рассматривать всё очень предметно, есть видео в формате 3000х1000 (нестандартный размер видео), видео не сжато и является объединением исходников без искажений (регистрации и смс): вот здесь.

Отдельно видео с камеры видимого диапазона VC400 на частоте 25Гц (экспозиция 40мс) — вот тут.

Небольшой бонус для читателей: тестовая таблица с разными камерами при освещении «звездное небо». Камера L3 производства e2v является эталоном в Европе по своей чувствительности. Сенсор камеры обладает прямоугольным пикселем большой площади (14х28мкм) и является сенсором EMCCD с электронным умножением, каждый зарегистрированный электрон в сенсоре усиливается в 1000 раз. К сожалению, в России эти камеры (L3) больше не доступны (картинка из архива):



Исходник картинки без сжатия по ссылке.

Может показаться, что во всех этих кадрах и съёмках нет ничего необычного, самые, что ни на есть, низкоуровневые камеры. Но вот для примера кадры, снятые на низкоуровневые камеры при том же освещении.


И ссылка на видео (для искушенных читателей).

Таким образом, нам удалось собрать в одном месте самые чувствительные, на текущий момент, приборы, которые могут достаточно качественно видеть ночью, и при этом приборы работают в хотя и близких, но разных спектральных диапазонах.

Ну и небольшие выводы, которые, наверное, нужно сделать. Не хотелось бы ничего навязывать читателям, так как в целом всё видно на представленных материалах.

  1. В ближнем ИК-диапазоне (1-2 микрона) небо явно светится, в разных статьях про это написано, но фактически видео в свободном доступе найти очень сложно. Мы явно наблюдали неоднородную, но устойчивую структуру свечения небосклона, похожего в чем-то на северное сияние. Благодаря этому свечению камера VS320 ближнего ИК-диапазона неплохо видит ночью. К сожалению, экземпляр камеры, который был у нас, обладал низким разрешением, но прибор показал себя достойно. Однозначно камеры ближнего ИК-диапазона могут применяться для улучшения видимости.
  2. ЭОП третьего поколения действительно отлично справляется со своей задачей и видит ночью. К сожалению, разрешение 68лин/мм не очень большое, но достаточное, чтобы ориентироваться и находить объекты.
  3. Открытием является возможность кремниевых КМОП приборов видимого диапазона, на базе которого изготовлена камера VC400, сравниться и даже по разрешению превзойти приборы ночного видения третьего поколения.

Ну и в заключение этой небольшой статьи, раз уж камера видимого диапазона оказалась астрономической, мы не могли отказать себе в удовольствии снять несколько красивых объектов (в «случайно» подвернувшийся телескоп Ньютон (D=200мм F=1000мм)):

Туманность Ориона:


cloud.mail.ru/public/DWxi/dTFJVY4MJ

и Галактика М81:


cloud.mail.ru/public/HQPo/YW4oHZeom

На просторах интернета очень мало сравнительных кадров и видео, в основном видео только какой-то одной камеры. На многих видео видны тени от Луны, что говорит о том, что ночь далеко не темная. Надеемся, что данная небольшая статья заполнит этот пробел, даст некоторую информацию о том, как видят те или иные приборы ночью.

Отдельное большое спасибо тем, кто предоставил оборудование и камеры, кто вывез нас на Ниве туда, где нет электричества и искусственного освещения, моему коллеге, с которым мы это всё собрали, сняли и обработали.

ps: при использовании данных материалов — ссылка на статью обязательна.
Проголосовать:
+61
Сохранить: