Что такое night vision
Приложение Night Vision при помощи датчика ToF превратит смартфон в прибор ночного видения
Приложение Night Vision, на смартфонах оснащенных датчиком ToF, способно работать в режиме ночного видения.
Датчик ToF или в полной расшифровке это Тime-Of-Flight или «время полета», если переводить дословно. Работа ToF основана на работе ряда датчиков. Специальный сенсор испускает свет инфракрасного диапазона. И по аналогии с лазерным дальномером считывает расстояние до объекта. Благодаря этому достигается невероятная четкость и глубина снимков.
В прошлом разработчики использовали данные, собранные с камер с датчиками ToF, для создания виртуальных 3D-моделей с данными глубины для создания режимов ночного видения. Это было сделано на телефонах Huawei в прошлом, и сейчас это доступно на любом телефоне, который поставляется с датчикомToF.
Журналист и автор статей на новостном ресурсе Wccftech Furqan Shahid попробовал использовать приложение Night Vision на своем смартфоне Samsung Galaxy S20 Plus. Результаты приятно удивили. По его словам, используя режим ночного видения в темной комнате, через камеру с датчиком ToF можно разглядеть расположенные близко предметы. Испытания видны на фотографиях.
Приложение Night Vision не является в прямом смысле этого слова прибором ночного видения, не позволяет увидеть предметы на удалении. Однако функция достаточно интересная, и знакомит с технологией ToF.
Как я научил свой смартфон на Android ночному видению
Несмотря на то что технологии сегодня развиваются так стремительно и так быстро сменяют друг друга, складывается стойкое впечатление, что производители смартфонов банально за ними не поспевают. Ведь, если подумать, то такими скучными как сейчас, мобильные гаджеты, кажется, не были ещё никогда. В конце концов, неустанное наращивание разрешающей способности камер и количества объективов – это не те инновации, которые ждёт большинство пользователей. Но, как оказалось, производители смартфонов – по крайней мере, некоторые – просто работают на перспективу.
Ночное видение — это режим, который недоступен смартфонам. Ну, по крайней мере, так мы думали раньше
Почему я не пересяду с Android на iPhone SE 2020, хотя и собирался
С конца прошлого года моим основным смартфоном является Honor View 20. Я не назвал бы его функциональные возможности выдающимися, но чего ещё требовать за 20 тысяч рублей, за которые он мне достался по трейд-ину? Флагманский процессор предыдущего поколения, 6 ГБ оперативки, камера на 48 Мп и аккумулятор на 4000 мА*ч. Ни тебе беспроводной зарядки, ни ультраширокоугольного объектива, ни продвинутых супер-возможностей как у современных флагманов. Из крутого разве что ToF-сенсор, но какой от него смысл, если заставить его работать так, чтобы это было заметно, всё равно нельзя. Но я ошибался.
Что такое ToF-сенсор
Так видит ToF-сенсор
ToF-сенсор (Time of Flight) – это специальный сенсор, который так же называют LIDAR, который формирует картинку на основе данных о «времени полёта». Дело в том, что этот сенсор излучает пучок света, который затем отражается от объектов у себя на пути и возвращается назад. ToF-сенсор подсчитывает время, за которое свет проделал этот путь, и превращает это знание в трёхмерные модели увиденного. Эта технология очень перспективна, поскольку позволяет сканировать пространство, с высокой точностью распознавать лица, и, как оказалось, вести съёмку в темноте.
Недавно в Google Play вышло приложение под названием Night Vision / ToF Viewer, которое задействует тот самый ToF-сенсор, превращая его в камеру ночного видения. Эта идея лежала буквально на поверхности, учитывая, что ToF-сенсору вообще не важен свет, поскольку он сам излучает его и таким образом формирует очертания объектов и подсчитывает степень их удалённости. Разработчики студии Lubos Vonasek Programmierung просто направили эту способность сенсора в нужное русло и научили совместимые смартфоны видеть в темноте.
Ночная съёмка на Android
Слева — ванная в полной темноте, справа — входная дверь под боковым источником естественного освещения
Разобраться в приложении труда не составит, а значит, вопрос как снимать в темноте на смартфон, у вас стоять явно не будет. У программы вообще нет никаких функций и управляющих элементов. Запуск сразу открывает перед вами окно с видоискателем, в котором отображаются все объекты, попадающие в поле зрения камеры. Однако помните, что воспользоваться такой камерой удастся только владельцам с ToF-сенсорами.
Откровенно говоря, картинка с ToF-сенсора не имеет ничего общего с камерами ночного видения, которые мы видим в фильмах о военных и шпионах. То есть увидеть разглядеть мельчайшие детали объектов, которые находятся в зоне видимости, у вас не получится. Максимум, что вас ждёт – это очертания и рельеф. Всё-таки не нужно забывать, что здесь задействуется не камера с матрицей, а именно что ToF-сенсор, который по-другому видеть не умеет. Однако, как видите, считыватель разглядел не только душевую стойку со шлангом, что установлена у меня в ванной, но и стыки плитки, выложенной на стенах, и даже переход от стены к потолку. А на втором фото я запечатлел входную дверь. Результат получился не ахти, потому что создать полную темноту в прихожей мне не удалось.
Возможно ли применение такой камеры на практике? Мне кажется, что вполне. Бесспорно, на спецоперацию с ней не пойдёшь, однако в тёмном подъезде, в котором хулиганы разбили лампочку, сориентироваться таким образом можно вполне успешно. ToF-сенсор разглядит и ступеньки, и двери, и даже спящего на лестничном марше бездомного, если таковые у вас, конечно, имеются. Ну, а если говорить серьёзно, то я доволен – в конце концов, до этого момента ToF-сенсор у меня в смартфоне простаивал без дела, а теперь ему нашлось хоть какое-то применение.
Система ночного видения Night Vision в новом Volkswagen Touareg
Новый Touareg оснащен инновационными системами, помогающими избежать опасные ситуации или минимизировать их последствия. Touareg является первой моделью Volkswagen, для которой доступна система помощи водителю при движении в темное время суток — Night Vision. Встроенный в переднюю часть автомобиля тепловизор регистрирует инфракрасное излучение, исходящее от людей и животных. Система моментально предупреждает водителя о пешеходах и животных, что значительно снижает вероятность возникновения опасной ситуации на плохо освещенных участках дороги.
Night Vision регистрирует инфракрасное излучение, исходящее от людей и животных на расстоянии от 10 до 130 метров от автомобиля. Когда объекты оказываются в зоне риска или перемещаются внутри нее, водитель получает предупреждение на приборной панели.
Силуэты людей и животных, находящихся вне зоны риска, подсвечиваются желтым контуром на черно-белом изображении системы ночного видения. При попадании в опасную зону, их подсветка меняется на красную. Если автомобиль движется со скоростью более 50 км/ч, при угрозе столкновения экран автоматически переключается в режим ночного видения, даже если система Night Vision неактивна на цифровой приборной панели. В случае возникновения опасности на скорости менее 50 км/ч при неактивном дисплее на панели инструментов загорается красный индикатор, который дублируется на опционально доступный проекционный дисплей. Параллельно активируется звуковое предупреждение. Одновременно с этим подключается система аварийного торможения Brake Assist.
Новый Touareg также оборудован матричными светодиодными фарами IQ. Light, которые краткими неослепляющими вспышками подсвечивают находящихся в опасной зоне пешеходов, чтобы дополнительно привлечь к ним внимание водителя. Эта функция маркерного освещения доступна только в сочетании с системой ночного видения Night Vision. Совместная работа системы Night Vision и светодиодных матричных фар позволяет предупреждать опасные ситуации и своевременно на них реагировать.
Описание и принцип работы системы ночного видения автомобиля
Управление автомобилем в темное время суток требует от водителя гораздо большей концентрации и повышенного внимания. Ночная дорога иногда может быть совершенно непредсказуемой, поэтому не удивительно, что дальние поездки в условиях плохой видимости изматывают автовладельцев гораздо сильнее. Для того чтобы облегчить поездку после наступления темноты, инженерами была разработана специальная система ночного видения, которая устанавливается преимущественно в автомобили премиум-сегмента.
Что такое система ночного видения NVA
Условия вождения в дневное и ночное время суток значительно отличаются. Чтобы исключить возникновение опасных ситуаций в темноте, водителю приходится постоянно напрягать зрение и внимательнее всматриваться в даль. Учитывая, что на территории Российской Федерации большинство трасс остаются неосвещенными, дальние поездки в условиях плохой видимости могут стать настоящим стрессом, особенно для начинающих водителей.
Для того чтобы облегчить жизнь автомобилистов и обезопасить других участников движения в темное время суток, была разработана система ночного видения для автомобилей NVA (Night Vision Assist). Изначально данная технология применялась в военных целях, однако, сравнительно недавно перешла и в повседневную жизнь, в том числе и в автомобильную промышленность. Разработка помогает издалека увидеть пешеходов, животных или иные объекты, которые могут внезапно появиться на трассе.
Благодаря системе ночного видения водитель сможет вовремя среагировать на внезапное появление препятствия и остановить транспортное средство, исключая возможность столкновения.
Таким образом, NVA помогает автомобилисту:
Впервые Night Vision пассивного типа была установлена на американский автомобиль Cadillac DeVille в 2000 году.
Элементы конструкции
Система ночного видения состоит из четырех основных компонентов, взаимодействие которых обеспечивает безопасность на дороге:
Таким образом, все сведения, полученные датчиками, преобразуются в изображение объекта и проецируются на монитор поверх кадров видеокамеры.
В качестве альтернативы привычному монитору также может использоваться проекция изображения на небольшой участок лобового стекла. Стоимость подобного оборудования уже значительно выше. Однако меняющиеся кадры на стекле перед водителем могут отвлекать его от управления транспортным средством, поэтому такой вариант применяется довольно редко.
Принцип работы системы
На сегодняшний день существует два основных вида систем ночного видения:
Системы активного типа используют в своей работе дополнительные источники инфракрасного цвета, которые отдельно устанавливаются на транспортное средство. Обычно активные системы могут считывать информацию на расстоянии до 250 метров от объекта. При этом на экран выводится четкое изображение высокого качества.
Пассивные системы работают подобно тепловизору, не используя инфракрасные спектры. Воспринимая тепловое излучение, исходящее от объектов, датчики воспроизводят картину происходящего на дороге. Поэтому изображения в таком случае получаются более контрастными, но менее четкими, отображаются в серых тонах. Зато дальность работы системы увеличивается примерно до 300 метров, а иногда и больше.
Системы активного типа применяются, например, такими крупными автопроизводителями, как Мерседес и Тойота. Пассивные NVA устанавливают концерны Ауди, БМВ и Хонда.
Несмотря на то, что пассивные системы обладают большей дальностью, специалисты в большинстве случаев отдают предпочтение активным приборам NVA.
Системы ночного видения, разработанные крупными концернами
Каждый автопроизводитель всегда старается привносить что-то новое в созданные ранее функции и системы. Поэтому некоторые крупные автомобильные концерны разработали свои разновидности приборов ночного видения. Приведем самые известные примеры.
Night View Assist Plus от Mercedes-Benz
Ярким образцом активной системы NVA является разработка концерна Мерседес – Night View Assist Plus. Ее уникальная особенность заключается в том, что система сможет проинформировать водителя даже о небольших ямах и неровностях дорожного полотна, а также предупредить пешеходов о возможной опасности.
Работа Night View Assist Plus происходит следующим образом:
Если Night View Assist Plus зафиксирует на дороге пешехода, то автомобиль автоматически предупредит его о возможной опасности, подав несколько коротких световых сигналов фарами. Однако такое предупреждение сработает лишь в том случае, если на трассе отсутствует встречный поток машин, водителей которых свет фар может ослепить.
Наиболее результативно система от Мерседес работает в условиях, когда скорость автомобиля превышает 45 км/ч, а расстояние от транспортного средства до препятствия или пешехода составляет не более 80 метров.
Dynamic Light Spot от BMW
Еще одной значимой разработкой является система Dynamic Light Spot, созданная инженерами немецкой компании БМВ. В основе используется интеллектуальный прибор ночного видения, который стал еще более совершенным в отношении безопасности пешеходов. Фиксировать опасную близость людей к дороге позволяет уникальный датчик сердцебиения, который может обнаружить человека или другое живое существо на расстоянии до 100 метров.
Вместе с остальными элементами системы, в оптику автомобиля монтируются дополнительные светодиоды, которые своевременно привлекут внимание пешеходов и предупредят их о приближении машины.
Диодные фары способны поворачиваться на 180 градусов, что предоставляет возможность привлечь внимание даже тех людей, которые еще только приближаются к проезжей части.
Night Vision от Audi
В 2010 году свою новинку представил концерн Ауди. Тепловизионная камера А8, удобно разместившаяся на машине возле эмблемы автопроизводителя, способна «видеть» на расстоянии до 300 метров. Людей система выделяет желтым цветом, чтобы гарантированно привлечь внимание водителя. Также бортовой компьютер Audi способен вычислить возможную траекторию движения пешехода. Если автоматика определит, что пути автомобиля и человека пересекутся, пешеход будет отмечен на дисплее красным цветом. Дополнительно система воспроизведет звуковой сигнал, который предупредит об опасности.
Можно ли купить внештатное оборудование
Система ночного видения присутствует в комплектации автомобиля довольно редко. В основном NVA в качестве заводской функции можно увидеть в дорогих иномарках премиум-сегмента. При этом у автомобилистов возникает законный вопрос: можно ли установить Night Vision в свой автомобиль самостоятельно? Такой вариант действительно возможен. На рынке представлен большой выбор доступных систем как от российских, так и от зарубежных производителей.
Правда, сразу стоит отметить, что покупка обойдется недешево: в среднем цена оборудования на рынке колеблется от 50 до 100 тысяч рублей. Дополнительные расходы будут связаны с монтажом и настройкой оборудования, так как самостоятельно установить все приборы будет не так просто.
Преимущества и недостатки
Какой бы совершенной ни казалась разработка, облегчающая передвижение на автомобиле в ночное время, она имеет как свои преимущества, так и недостатки. К очевидным плюсам NVA можно отнести:
Среди минусов системы NVA водители отмечают:
Прибор ночного видения может существенно облегчить управление автомобилем в темное время суток. Наиболее совершенные системы позаботятся не только о безопасности водителя, но и предупредят пешеходов о приближающемся автомобиле. Однако каждому автомобилисту важно помнить, что полностью полагаться на приборы нельзя: водитель всегда должен быть сконцентрирован на дороге, чтобы в случае непредвиденной ситуации вовремя принять нужные меры и избежать дорожно-транспортного происшествия.
О приборах ночного видения и переводе их названий
В английском языке существует множество терминологических сочетаний для обозначения приборов ночного видения: image intensifying periscope, thermal viewer, night vision device, thermal imaging system и др. При подборе правильного варианта перевода следует руководствоваться следующим.
Под приборами ночного видения (ПНВ) (night vision devices — NVD) понимают а) любые оптико-электронные приборы, созданные для обеспечения возможности ночного видения в условиях недостаточной освещенности и даже в абсолютной темноте (т.е. все или любые приборы ночного видения); б) приборы ночного видения на основе технологии усиления света (только один конкретный вид). Таким образом, трудности в переводе возникают уже при выборе варианта наименования самих приборов. Поэтому часто, чтобы провести границу между первым и вторым значениями терминосочетания, слово device заменяют словами system, equipment (для первого значения). Откуда же взялись эти два значения?
Первое более широкое значение является современным, появившимся в результате развития технологии ночного видения, которая обеспечила появление различных видов ПНВ, объединив их в одну группу. Второе является традиционным, поскольку именно светоусиливающие приборы на основе электронно-оптических преобразователей (ЭОП) (image intensifier or image intensifier tube – I 2 T) появились первыми. Долгое время они оставались единственными приборами для наблюдения в ночных условиях, и необходимости в особой терминологии для их обозначения не было. Их называли либо ПНВ, либо инфракрасными (ИК) приборами (ИК прицел, ИК бинокль и т. д.). Такая путаница в терминологии существует как в английском, так и русском языках.
По принципу работы все приборы ночного видения делятся на две основные категории: светоусиливающие и тепловизионные.
Светоусиливающими приборами (ПНВ на усилителях яркости; на ЭОП) принято считать приборы ночного видения, работа которых основана на технологии усиления яркости изображения (image intensification – I 2 ). Это самый распространенный тип технологии ночного видения (night vision technology), принцип ее работы заключается в преобразовании с помощью ЭОП инфракрасного (ИК) излучения в видимое и на усилении низких уровней яркости, создаваемых на наблюдаемом объекте свечением ночного неба, звезд и луны в видимой и ближней ИК-области спектра. Все полученное излучение затем проецируется в виде изображения на окуляр. Само изображение имеет серо-зеленый цвет и хороший уровень детализации. Такой прибор не будет работать в полной темноте, обязательно должно присутствовать некоторое количество света. ПНВ на ЭОП (или просто ПНВ с учетом второго значения) бывают либо активные (или подсветочные) (active), т.е. использующие источник инфракрасного света (инфракрасный осветитель – infrared illuminator) для подсветки объекта, либо пассивные (или бесподсветочные) (passive), которые используют только естественный остаточный ночной свет.
В своем развитии приборы на усилителях яркости прошли несколько поколений (generations).
Приборы с ЭОП нулевого поколения (generation 0) появились в 40-х годах прошлого века, имели малое усиление и большие искажения изображения. Эти приборы активные, для их работы обязательно наличие инфракрасного прожектора для подсветки цели.
Приборы первого поколения (generation 1) — следующее поколение ПНВ (1960-е годы), в которых стали использовать пассивное инфракрасное излучение, окружающий свет, излучаемый луной и звездами. Недостаток в том, что они практически не работают в полной темноте, когда небо покрыто тучами. Также они по-прежнему используют ЭОП, которые искажают изображения и быстро разрушают сам усилитель. Нормальное разрешение обеспечивается только в центре изображения, не имеют защиты от засветок.
Самые заметные улучшения произошли в приборах второго поколения (generation 2) (1970-е годы). В них заметно улучшилось разрешение изображения и сама работа устройств, а самое большое преимущество в том, что они могут видеть объекты даже при очень плохом освещении, например, в безлунные ночи. Это стало возможным за счет установки микроканальной пластины (МКП) (microchannel plate — MCP). Благодаря тому, что МКП просто увеличивает число электронов вместо того, чтобы ускорять их движение, изображения стали более четкими и яркими по сравнению со всеми предыдущими устройствами ночного видения.
Третье поколение (generation 3) (1990-е годы) мало чем отличается от второго поколения, за исключением того, что новые приборы более чувствительны и поэтому воспроизводят более качественное изображение. Достигнуть этого удалось за счет использования полупроводникового материала арсенида галлия, который ускоряет процесс преобразования фотонов в электроны. Более того, МКП покрыта специальным ионным слоем (film), который значительно продлевает срок работы ЭОП и сокращает окружающий шум.
Четвертое поколение (generation 4) – это новые приборы ночного видения (2000-е годы), работающие как при хорошем, так и при плохом освещении. Благодаря новой технологии стробируемого или импульсного и беспленочного ЭОП (gated or autogated and filmless I 2 ), приборы ночного видения автоматически регулируют включение и выключение напряжения фотокатода, за счет чего ПНВ могут резко подстраиваться под любые изменения света. Пользователь получил свободу действий, он может спокойно перемещаться из темной области в яркую и наоборот, приборы мгновенно реагируют на изменение света. А удаление из системы защитной ионной пленки позволило существенно улучшить опознание цели на больших дистанциях, а также в условиях очень низкой освещенности.
Разновидностью являются активно-импульсные (АИ) ПНВ (laser range—gated imaging system). Их принцип действия основан на импульсном методе наблюдения, а именно: с импульсным подсветом (laser light pulsed illumination) наблюдаемого объекта короткими импульсами лазерного излучения (laser pulse) и синхронизированным с ним импульсным управлением (стробированием) (range gating) ЭОП. АИ ПНВ гарантирует не только повышение дальности обнаружения, но и распознавания объектов, работает как при нормальной, так и пониженной прозрачности атмосферы, в условиях воздействия мощных световых помех и обеспечивает точное измерение дальности до объекта наблюдения.
Если ЭОП в качестве приемника излучения заменить на ПЗС-матрицу (ПЗС – прибор с зарядовой связью) (CCD (charged-coupled device) matrix), то получим цифровой ПНВ (digital NVD). ПЗС-матрица представляет собой микросхему, состоящую из светочувствительных фотодиодов, называемых пикселями, и преобразующую свет в цифровую информацию. Цифровые устройства не боятся засветок и могут работать в режиме день/ночь. Кроме того, цифровая природа сигнала позволяет реализовать массу дополнительных функций, характерных для всей современной цифровой техники: передача изображения на монитор, запись, цифровая обработка и т.п.
И наконец, тепловизионные приборы ночного видения (thermal imaging devices) или тепловизоры (thermal imager). Разработка началась в 1960-е годы, они не требуют подсветки цели и могут работать в полной темноте, тумане, обеспечивать наблюдение сквозь дымовые завесы и камуфляж. Принцип их работы основан на улавливании собственного теплового излучения от цели и формировании изображения на основе разности температур фона и цели и разных ее участков.
Поскольку ПНВ каждой категории имеют свои положительные стороны, то их сочетание в одном устройстве дает дополнительные преимущества, что привело в созданию комбинированных (fusion or fused) ПНВ, в которых можно не только использовать каждый из каналов по отдельности, но и формировать единое (общее) смешанное изображение (fused image).
Таким образом, все эти приборы, независимо от принципа работы и устройства называют приборами ночного видения (night vision equipment).
Однако часто встречается и противопоставление приборов ночного видения (night vision devices) тепловизионным приборам (thermal imaging devices). Это противопоставление также может выражаться терминами night vision и infrared соответственно. Кроме того, в качестве синонима для night vision device (NVD) в таком значении часто используется night optical/observation device (NOD) и night vision goggles (NVG). А приборы, в состав названий которых входит thermal imaging, в переводе обычно всегда передаются с использованием термина тепловизионный, чтобы противопоставить их ПНВ всех других видов. В качестве синонима для тепловизионных приборов также широко используется акроним FLIR.
В основном к ПНВ относятся приборы наблюдения (могут быть в форме монокуляров monocular и биноклей binocular), прицелы и приборы ночного вождения (night driving equipment). В английском языке часто для обозначения прибора наблюдения в целом используется термин viewer, адля прибора наблюдения конкретного типа – конкретные термины. Например, periscope для обозначения перископического прибора наблюдения. Следует также помнить, что прицел (sight или scope) всегда называется ночным, а не ночного видения. Очки ночного видения (ОНВ) (night vision goggles — NVG) могут быть моно- и бинокулярными, главное их преимущество в том, что они крепятся на шлеме или специальной маске, которая надевается на голову, на уровне глаз, при этом руки остаются свободными. Строго терминологическое наименование данных приборов – очковые ПНВ. Следует различать night vision goggles и night glasses, первые обозначают очковые ПНВ, а вторые не являются ПНВ – это обычные очки для лучшего видения в ночных условиях. Кроме того, под glasses подразумеваются типичные очки (оправа с линзами) для улучшения зрения, а goggles представляют собой средства защиты глаз (от пыли, осколков, воды и т.п.), плотно прилегают к лицу и имеют крепления.