Uzun Mesafede VIS/NIR

UZUN MESAFE VIS/NIR GÖRÜNTÜLEME VE VIS/NIR KAMERALAR

VIS/NIR, gündüz renkli görüntüler geceleri düşük ışıkta siyah beyaz görüntüler üretmek için görünür ışık (VIS 400-700nm) ve yakın kızılötesi dalga boyunu (NIR 700-1100nm) kullanan kameraları ifade eder. Görünür kameralar, insan gözünün algıladığı spektrumun aynısı olan ışığı kullanır ve doğru renk gösterimi için ışığı kırmızı, yeşil ve mavi dalga boylarında (RGB) yakalayarak işler. Modern kameralar ayrıntıları çözebilmek adına çeşitli çözünürlükte görüntü oluşturma yeteneğine sahiptirler ve insan gözü gibi, görünür kameralar da ışığa ihtiyaç duyar. Genellikle görüntüleme performansları sis, pus, duman ve ısı dalgaları gibi atmosferik koşullar nedeniyle büyük ölçüde azalır. Bu, uygulamalarını gündüz ve açık gökyüzü ile sınırlar.

Yakınlaştırma işlemi yapan kameralarda, optik yakınlaştırma ve dijital yakınlaştırma olmak üzere iki yakınlaştırma modu vardır. Optik yakınlaştırma, mercek grubunu objektifin içinde hareket ettirerek görüş açısını değiştirirken, dijital yakınlaştırma, görüntüdeki ilgili görüş açısının bir kısmını yazılım algoritması ile yakalar ve büyük görünmesini sağlar. Optik yakınlaştırma, görüntüleme sisteminin uzamsal çözünürlüğünü koruyabilirken, dijital yakınlaştırma uzamsal çözünürlüğü azaltır.

VIS KAMERALAR: UZUN MESAFE GÖRÜNTÜLEMENİN ESASLARI

Uzun menzilli kameraların görüntü kalitesini etkileyen pek çok değişken vardır. Uzun menzil görüntülemede ilk olarak kameranın fiziksel bileşenleri göz önüne alınmalıdır. Objektiften başlayarak, görüntünün ne kadar büyütüldüğü, objektiften ne kadar ışık geçtiği ve objektifin bu görüntüyü ne kadar keskin ve doğru bir şekilde odakladığı incelenmelidir.

Aynı sensöre sahip kameraların temel farklılığını kullanılan objektif belirlemektedir. Görüntü sensörünün, çözünürlüğü, hassasiyeti, sensör boyutu ve görüntü oluşturma algoritmaları sistemlerin temel farklıklarını oluşturmaktadır. Uzak mesafe görüntülemedeki diğer önemli parametreler ise çevresel parametrelerdir (hava sıcaklığı ve basınç gibi). En iyi koşullarda bile baktığınız hava, ışığın iletimini engelleyerek görüntüyü bozan moleküllerden oluşur. Nem, yağmur, kar, toz ve sis görüntü kontrastını azaltır ve gözlenen mesafedeki ısı değişimlerinden kaynaklanan atmosferik türbülans görüntüde bozulmalara neden olur.

Uzak mesafe görüntülemede sistemleri karşılaştırmak için çözünürlük değerleri etkin olarak kullanılmaktadır. Çözünürlük için yaygın olarak kullanılan standart Metre Başına Piksel (PPM)’dir. Metre Başına Piksel (PPM), kameradan belirli bir mesafede 1 m genişlik boyunca tanımlı piksel miktarını tanımlar. Kameranın uzun menzilli büyütme özelliklerini ölçmenin en basit yoludur ve farklı kamera türleri arasında kolay karşılaştırmaya olanak tanır.

Görünür ve termal sensörlerin ölçümlerindeki farklılıklar nedeniyle, PPM hesaplamaları iki teknoloji için farklı hesaplanır. Görünür/NIR sensörleri için PPM, Görüş Alanı ve Sensör Çözünürlüğü kullanılarak hesaplanır. Daha uzun odaklı lensler veya daha küçük sensörler daha dar görüş alanları üretirken, daha kısa odak uzunluğuna sahip lensler veya daha büyük sensörler daha geniş görüş alanları üretir.

Renkli gözetim kameralarına (VIS/NIR), DRI standardına benzeyen ancak tanımları farklı olan başka bir standart kullanılır. Bu standart, Tespit, Gözlem, Tanıma ve Tanımlama anlamına gelen DORI (Detection, Observation, Recognition, Identification)’dir. Bir ekrandaki iki piksel, termalde “algılama” olarak sayılmak için yeterli olsa da, tam olarak nereye bakılacağı bilinmiyorsa, görünür bir görüntüleme sisteminde bir hedefi algılamak için bu ayrıntı düzeyini kullanmak neredeyse imkansız olur. DORI, görünür kameranın tespit, gözlem, tanıma, tanımlama mesafesini elde etmek için PPM’de ne kadar ayrıntı sağlaması gerektiğini tanımlayan bir endüstri standardıdır. Görünür ışık gözetleme kameraları için Algılama (25PPM), Gözlem (62PPM), Tanıma (125PPM) ve Tanımlama (250PPM) ayrıntı düzeylerini tanımlayan IEC EN62676-4: 2015 standardı Uluslararası DORI Standardıdır.

DRI/DORI ölçümleri genellikle herhangi bir atmosferik koşulu dikkate almazlar. Çevresel faktörler neredeyse hiçbir zaman ideal değildir, bu nedenle gerçek kullanımda bu mesafeler neredeyse her zaman belirtilenden daha kısadır.

VIS/NIR GÖRÜNTÜLEMENİN AVANTAJLARI VE DEZAVANTAJLAR

Günümüzde görüntüleme sistemlerinde öne çıkan iki tip termal ve VIS/NIR görüntüleme sistemleridir. Bu iki teknoloji yalnızca ürettikleri görüntülerde değil, aynı zamanda bu görüntülerin gözetlemede nasıl yararlı olabileceği konusunda da farklılık gösterirler.  İki görüntüleme sistemin en temel farkı görüntülenen ışığın kaynağıdır. Termal görüntülemede ışık kaynağı görüntülenen cisminin yaydığı elektromanyetik dalga iken VIS/NIR görüntülemede ışığın kaynağı harici bir kaynak tarafından aydınlatılan cisimden yansıyan ışınlardır. Termal görüntüleme, tehditlerin veya hedeflerin saptanmasında üstündür, ancak bu hedeflerin ayrıntılı görüntülerini oluşturmakta yetersiz kalır. VIS/NIR görüntüleme, tehditleri algılamak için kullanımı çok daha zorken, uzun menzilli hedeflerin tanımlanması için mükemmel ayrıntılar sağlayabilirler.

VIS DEDEKTÖR TİPLERİ

VIS/NIR Uzun menzilli görüntülemede kullanılan iki ana sensör teknolojisi vardır, CCD ve CMOS.  CCD pasif pikselli bir cihaz olduğu için (piksel seviyesinde elektroniği olmayan) kuantum verimliliği çok yüksektir. Bu, ışığın oldukça zayıf olduğu uygulamalarda bir avantajdır. Öte yandan CCD’lerde düşük kare hızları bazı uygulamalarda problem yaratır.  CMOS, aktif piksel dizisine dayalı sensörlerdir. Her pikselin çıktısı tek tek elde edilir ve örneklenir. CMOS sensörler daha kolay okuma şeması sayesinde daha yüksek kare hızları elde etmeyi ve ilgi bölgesini (ROI) tanımlamayı mümkün kılar. Dezavantaj olarak CMOS her pikseldeki okuma transistörleri nedeniyle daha yüksek bir gürültüye sahiptir.

NIR/VIS sensörlerde deklanşör (shutter), bir görüntünün yakalanma ve okunma biçimini ifade etmektedir.

Rolling deklanşörde pozlama süresi tüm pikseller için aynıdır, ancak pozlama arasında bir gecikme vardır. Rolling deklanşör, tümü aynı anda yakalanmayan, zamanda hafifçe kaydırılan bir görüntü verir. Bu durum yüksek kare hızı gerektiren uygulamalar için sorun yaratabilir.

Global deklanşörde, tüm piksellerin maruz kalma süresi aynı anda başlar ve biter. Bu şekilde, her piksel tarafından verilen bilgi, görüntünün elde edildiği aynı zaman aralığını ifade eder. Bu tür deklanşör, hızlı uygulamalar için zorunlu hale gelmektedir.

CCD sensörlerde sadece global deklanşör seçeneği varken CMOS hem rolling hem de global deklanşör kullanılmaktadır.

Dinamik aralık, sensör tarafından alınan maksimum ve minimum sinyal arasındaki orandır. Üst sınırda, pikseller yüksek yoğunluk değeri (doygunluk) için beyaz görünürken, alt sınır ve altında pikseller siyah görünür. Dinamik aralık genellikle minimum-maksimum oranının logaritmasıyla, 10 tabanında (desibel) ya da 2 tabanında durak (stop) olarak ifade edilir. Örneğin insan gözü, 90dB’lik bir yoğunluk farkına karşılık gelen, hem yıldız ışığı altında hem de parlak güneşli bir günde nesneleri ayırt edebilir. Ancak bu aralık aynı anda kullanılamaz çünkü gözün farklı ışık koşullarına uyum sağlaması için zamana ihtiyacı vardır. CMOS sensörlerinden bazıları yaklaşık 23000:1’lik (14,5 durak, 43dB) dinamik aralığa sahiptir.

CCD veya CMOS kameraların spektral hassasiyetleri, tepe bölgesi 400 ila 650 nm arasında olmak üzere genellikle 350 ila 950 nm arasındadır.

UZUN MESAFE GÖRÜNTÜLEMEDE PROBLEMLER VE ÇÖZÜMLERİ

Sis uzak mesafe görüntülemesinde önemli bir etkendir. VIS/NIR kameralarda sisin etkisinin azaltılması amacıyla iki farklı yöntem kullanılmaktadır. Optik ve dijital sis giderme. Optik Sis Giderme (optical defog) farklı dalga boylarının penetrasyon özelliğini kullanır. Bu, dumanlı veya sisli bir ortamda hedef nesnenin net bir görüntüsünü elde etmek için optik sis algılama tarafından uygulanan fiziksel ilkedir, bu özelliği aktif etmek amacıyla sistem uzun dalgaboylarını geçiren bir filtre kullanır. Dijital (elektronik) Sis Giderme tekniğinde ise bir görüntüde ilgilenilen belirli nesne özelliklerini vurgulayan ve ilgilenilmeyenleri bastıran bir algoritma tarafından ikincil olarak işlenir. Özellikle uzun mesafeler söz konusu olduğunda optik sis giderme elektronik sis gidermeye göre üstün konuma gelmektedir.

Görüntü sabitleme (IS), görüntü yakalama sırasında bir kamera içindeki optik sistemin ne kadar kararlı olduğunu ifade eder. Zayıf aydınlatma koşulları, uzun odak uzunlukları, kamera titremesi ve yavaş deklanşör hızı gibi bulanık görüntülerin birçok nedeni vardır. Optik Görüntü Sabitleme (OIS) özelliğine sahip bir kamera, kamera hareket ederken objektif içindeki bir veya daha fazla elemanı fiziksel olarak hareket ettiren dahili bir motor ile sabitleme yapar. Optik görüntü sabitleme özelliğine sahip bir kamera, düşük ışık seviyelerinde olmayana göre daha net görüntüler üretebilir. Elektronik Görüntü Sabitleme (EIS) yazılım tarafından gerçekleştirilir. Titreyen bir videoyu dengelemek için kamera, her karede hareket etmeyen bölümleri kırpar. EIS’de ne kadar yakınlaştırma kullanılırsa, son görüntü kalitesi o kadar düşük olur.

Isı Buğusu (heat haze) etkisi, hava sıcaklığındaki değişimlerin hacimsel değişikliklere ve dolayısıyla yoğunluk değişimlerine sebep olmasıyla oluşur. Işık düzensiz havadan geçer ve çok sayıda düzensiz kırılmaya uğrar. Bu fenomen görüntünün dalgalanmasına yol açar. Isı Buğusu Azaltma (heat haze reduction) ile, objektifin optik optimizasyonu ve görüntüleme algoritması ile çift yönlü optimizasyon sağlanarak kameranın sıcaklık değişimlerinde net görüntü vermesini sağlanır.

UZUN MESAFE VIS/NIR LENSLERİNİN ÖZELLİKLERİ