Как видят ночью разные камеры и приборы? +61

- такой же как Forbes, только лучше.

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.

Вы можете помочь и перевести немного средств на развитие сайта



Комментарии (38):

  1. saag
    /#10547303

    А можно ссылку на страничку со спецификацией камеры VC400? Посмотрел на камеры для астрофото, там характеристики похуже чем упомянутые вами, в частности размер пикселя в 10 мкм еще поискать надо

    • Pyhesty
      /#10547471

      по характеристикам камеры: шум чтения 1.7е, темновой ток 30е при 25'C, и меньше 1e при 0'C, QE более 95%.
      к сожалению, как обычно бывает у нас в России, информация почему-то не выкладывается в общедоступные ресурсы или на сайт, даже что бы оформить эту статью было получено разрешение производителя.
      все камеры, которые VC, VL, VS нам предоставила НПК Фотоника из Санкт-Петербурга, я не знаю можно ли здесь выкладывать ссылки, но организация легко находится в поиске. Уверен вы можете позвонить и получить необходимую информацию непосредственно у них.
      цену то же можно узнать у них, но уверен, что камера стоит не дешевле ЭОП, тк одно из её назначений — замена ЭОП третьего поколения, автонометрия, медицина и наука.

  2. yTom48
    /#10547339

    Круто!

  3. Nubus
    /#10547561

    Блин, ночное виденье, обычно ИК диапазон под открытым небом. Самая большая сложность это сделать чуствительный элемент маленького размера. К сожалению большая часть материалов ну очень хреново поддаеться обработке при уменьшении размера и начинает сильно шуметь.

    • Scif_yar
      /#10547593

      Блин, ночное виденье, обычно ИК диапазон под открытым небом

      Вообще-то нет.
      есть отдельно фотоумножители, и отдельно два вида ИК
      Самая большая сложность это сделать чуствительный элемент маленького размера.

      EOTech и Raytheon как-то справляются.

  4. Scif_yar
    /#10547591

    ЭОП – электронно-оптический преобразователь третьего поколения. Л

    Они как бы разные. есть 3, а есть плюсы.
    Если сравнить с Gen 3 Alpha (High Performance) MG?

    Разрешение 320х256

    это экрана или матрицы? и на чем, потом что CNVD дает 320 x 240, 25µm Pixel Pitch — правда в видео.
    Но… VS320-BCL. Матрица: InGaAs SWIR — неплохо, неплохо. Матрицы у них интересно свои или возят?

    • Pyhesty
      /#10547819

      Они как бы разные. есть 3, а есть плюсы.

      нам ЭОП передавался производителем специально для сравнительных испытаний с камерами видимого диапазона и как ЭОП 3+ поколения.
      для специалистов информация из паспорта изделия:
      Спектральная чувствительность фотокатода (измеренная) 225 (типовое для 3п — 150)
      Коэффициент преобразования: 57000 (типовое для 3п- 40000)
      — сейчас специально зашёл на сайт Raytheon, посмотрел картинки сравнения 1-3 и 3+ поколения (на сайте мало информации) — это математически синтезированные картинки из одной с хорошим освещением. На картинке с 3+ поколения отсутствует фотонный шум — что не возможно.
      Для освещения типа «звездное небо» при экспозиции 40мс (или 25Гц) приходится во всем диапазоне до 1мкм всего 55 фотонов, максимальное соотношение с/ш должно быть всего 7 или три бита! =) это очень заметный фотонный шум, так что с уверенностью говорю, что реклама Raytheon нас обманывает

      • Scif_yar
        /#10547849

        Спектральная чувствительность фотокатода (измеренная) 225 (типовое для 3п — 150)
        Коэффициент преобразования: 57000 (типовое для 3п- 40000)

        Меня всегда неимоверно радует, когда производители начинают мерять каких-то своих попугаев.
        Вот характеристики Knight Vision® PVS-22 Night Vision Weapon Sight — GEN III Tube Specifications — там
        nvdevices.com/products/night-vision/pvs-22-night-vision-weapon-sight

        Signal to Noise Ratio там есть, а вот коэффициента преобразования как-то не видать.

        так что с уверенностью говорю, что реклама Raytheon нас обманывает

        это конечно возможно. Но есть и другой вариант — набрать в гугле generation 3 night vision comparison и поискать в картинках.

        • Pyhesty
          /#10547863

          это конечно возможно. Но есть и другой вариант — набрать в гугле generation 3 night vision comparison и поискать в картинках.


          да, совершенно верно, можно, но начинаем внимательно вглядываться и получается:
          1. в половине видео явно видна тень от Луны

          2. в другой половине видео в интернете используется видеокамера, которая автоматически переходит в режим накопления и снижения частоты (где-то до 5Гц)…
          При этом чудес не бывает, плотность фотонов строго определена и больше их не будет,
          если их 50 за 40мс, то и соотношении сигнал шум получится как корень из этой величины (и это если зарегистрировать все фотоны).
          ЭОП который дали нам имеет хорошую квантовую эффективность и насколько это возможно усиливает поступающих на него сигнал.
          — именно по этой причине родилась эта статья, что бы для одной частоты, к примеру 25Гц, показать что и как видно в разных диапазонах

          • yTom48
            /#10548491

            Никто эти фотоны не видел. Что, если их нет? Почему свет не может оказаться теми-же радиоволнами?

            • Pyhesty
              /#10549085

              =) ну я и вы видите эти фотоны каждый день)))
              к сожалению, или к счастью, уже доказано, что свет представляет собой кванты с энергией E=hv.

              • yTom48
                /#10549891

                Откуда у фотонов длина волны? И что мешает ЭМ волнам тоже иметь квантовую природу? В данной ситуации я наблюдаю только барьер чувствительности в виде шумов. Не хочу открывать спор. Просто хочу получить объективный ответ, который откинет все сомнения.

            • yTom48
              /#10549901

              Забавно будет, когда через десяток-другой лет я окажусь прав и все будут воспринимать это, как обычное явление.

            • eugenius_nsk
              /#10552167 / +1

              Почему свет не может оказаться теми-же радиоволнами?
              Потому что свет — это ЭМ-излучение одного диапазона частот/энергии, а радиоволны — это ЭМ-излучение другого диапазона частот/энергии.

              Если же вы имели в виду не радиоволны, а ЭМ-волны, то фотоны — это они и есть. Откройте для себя квантово-волновой дуализм.

              • yTom48
                /#10552693

                Читал. Частицы виртуальные, а ещё и калибровочные. Думаю, что это для удобства придумано.

                • Frankenstine
                  /#10553091

                  Расчёты по теории совпадают с экспериментальным наблюдением. А практика (эксперимент) — критерий истины. Так что прежде чем отрицать доказанное, докажите ошибочность имеющихся доказательств (экспериментов) на практике. Не можете доказать — либо примите как есть («не очевидно/интуитивно, но факт»), либо держите свои «знания» в себе, они никому другому не интересны (например из-за очевидности их ошибочности, для тех кто разбирается в вопросе).

        • Pyhesty
          /#10547877

          Signal to Noise Ratio там есть, а вот коэффициента преобразования как-то не видать

          из паспорта на этот ЭОП: SNR: 28.3
          но это видимо при оптимальной освещенности, кстати интересно, получается, что ЭОП может одновременно до насыщения зарегистрировать 800фотонов, после чего достигает максимальной яркости…
          Думаю все параметры сильно связаны между собой физикой, но, к сожалению, не силён в устройстве электронно-оптических преобразователей.

      • yTom48
        /#10547873

        Возможно, эта камера делает несколько снимков и считает по формуле (n1+n2+n3+n4+n(x-2)+n(x-1)+n(x))/x. В таком случае шума будет в разы меньше.

        • Pyhesty
          /#10547881

          какая именно?
          если те, что в статье, то у нас была возможность управлять всеми функциями камер, все «улучшайзеры» были отключены, данные с камер считывались сырые.
          межкадровая обработка во всех камерах точно отключена, за это ручаемся и для подтверждения все видео выложены без сжатия на файлообменник.

          • yTom48
            /#10547905

            Может, аппаратный улучшайзер, который сразу после матрицы стоит и неотключаемый? Своего рода фвч.

            • Pyhesty
              /#10547919

              Может, аппаратный улучшайзер, который сразу после матрицы стоит и неотключаемый? Своего рода фвч.

              на всякий случай пересмотрел видео на наличие межкадровой обработки, для этого выбрал кадры, где падает светодиодный фонарь
              вот ЭОП

              вот видимый диапазон

              вот SWIR

              для всех видео: нет межкадровой обработки, у SWIR увидеть сложнее, но я рядом расположил два кадра, на втором кадре нет следа от предыдущего.
              — если межкадровой обработки нет, то после преобразования фотона в электроны соотношение сигнал шум поднять никак нельзя, только ухудшить (можно «зализать» изображение прогнав фильтр, но тогда потеряем в разрешении)

  5. ryodeushii
    /#10547711 / +1

    Хорошая статься, концовка порадовала

  6. AngReload
    /#10547713

    Переместите фотографии на habrastorage.org
    Сейчас они припаркованы на радикале, будет сильным преуменьшением сказачть что он ужасен.

    • Pyhesty
      /#10547805

      Большое спасибо за «наводку», все фотографии статьи перенесены на habrastorage.org! =)

      • AngReload
        /#10547861

        Благодарю, оперативно!
        Если я вам еще не надоел, хорошим тоном считается делать превью для больших картинок.

        • Pyhesty
          /#10547869

          я не знаю как это делать… =) напишу вам в личные сообщения

          • AngReload
            /#10547931

            Тогда не заморачивайтесь с этим, они не столь уж и тяжёлые — 5Мб вместе, это по современным меркам мелочь.

  7. slav1k
    /#10548437

    А почему в ближнем ИК лицо таким темным получается? Ожидаешь, что теплые предметы будут выглядеть светлее. Та же печка вон как светит.

    • Pyhesty
      /#10549059

      Доброго дня =)
      температура поверхности печки на момент съемки была около 100 градусов, а у моего замёрзшего лица около 35'C.
      Камера ближнего ИК диапазона видит в диапазоне до 1.8мкм. Если посмотреть на спектр излучения черных тел

      то температура тела человека «немного» не дотягивает до 2мкм… по этому само по себе лицо не светится, а только отражает. В ближнем ИК отражает плохо, вот для примера как выглядит лицо человека в SWIR диапазоне. Поверьте — я не негр и даже не блондин, и даже не в белой, а черной рубашке =)

      • slav1k
        /#10549231

        Спасибо за такой развернутый ответ!

  8. alhel
    /#10550475

    Скажите, а VS320 это нечто похожее на Микроболометр как в Seek Thermal?
    Интересно было-бы в ИК спектре астро-фото опробовать, через ньютон должно работать.

    • Pyhesty
      /#10550619

      добрый день, нет, принцип совсем другой (если я правильно понимаю вопрос)
      в микроболометрах тепловизионная «ячейка» принимает температуру в зависимости от температуры объекта, при этом меняется её сопротивление, на короткий промежуток времени (ооочень короткий) к тепловизионной ячейки подключают напряжение и измеряют её сопротивление. Таким образом, косвенно измеряется температура объекта.
      В SWIR диапазоне применяют InGaAs — приёмники, ячейки которых чувствительны к фотонам диапазона до 2.2мкм. Ячейки разработанные на базе InGaAs с вероятностью где-то 70% (в частности для приёмников VS320) преобразуют фотон в электрон, который попадает в потенциальную яму ячейки. Далее вынос производится по аналогии с ПЗС или КМОП структурой, то есть ячейки по строкам выносятся в регистр хранения, а потом последовательно подаются на АЦП, где происходит их аналого-цифровое преобразование.
      Таким образом, в SWIR диапазоне прямое измерение, а в тепловизионном (в микроболометрах) косвенное. Квантовая эффективность (и вообще эффективность) прямого измерения обычно выше.
      Астрофото в ближнем ИК спектре будет посвящена отдельная статья. Есть общее понимание, что в ближнем ИК должно быть больше звезд, в том числе постоянных, но пока, к сожалению, материала мало.

  9. UnhappyPanda
    /#10550477

    А как на изображениях с Ньютона (последние два в этой статье) образуются артефакты — параллельные светлые и темные полосы, «исходящие» в противоположные стороны из ярких звезд?

    • Pyhesty
      /#10550643

      это неполный сброс заряда ячейки, пока сложно сказать, связан ли он со структурой сенсора, толщиной зоны обратной засветки, это эффект памяти ячейки или «заблудившиеся», накопившиеся электроны в зоне перед ячейкой или эффект послесвечения кремния…
      уровень «белого» при астрофото соответствовал около 2000е, а полная ёмкость потенциальной ямы сенсора 90000е, таким образом, если звезда очень и очень яркая, то она заливает яму очень сильно и возможно даже растекается по поверхности сенсора над соседними ячейками, при сбросе сенсора видимо не все электроны сбрасываются.
      полностью этот эффект нами пока не изучен, но именно «неполный сброс» (независимо от того чем он обусловлен) даёт эти хвосты.
      ps: астофото собраны из отдельных кадров количеством несколько сотен, каждый с экспозицией 1с, тк монтировка была добсон без приводов, гидирования не было, по этому максимальная экспозиция отдельного кадра была ограничена смазом естественного движения звезды.
      как-то так выглядел отдельный кадр до обработки =)

      ps: слева от галактики черточка — это спутник =)