Wärmebildkameras – Abbildung des Unsichtbaren

Eine der aufregendsten Technologien des modernen Sicherheitsarsenals ist die Wärmebildtechnik, welche Kameras im Grunde die Fähigkeit gibt, trotz Dunkelheit, Nebel, Regen und anderen die Sicht einschränkenden Einflüssen, die Aufgabe der Videoüberwachung zu erfüllen. Warum ist das so? Einfach gesagt „sehen“ diese Kameras nicht, sondern sie liefern eine Darstellung der Umgebung, indem sie Infrarotstrahlung in Bilder umwandeln.

Einleitung

Infrarot (wörtlich übersetzt „unter Rot“ im Farbspektrum) wurde im Jahre 1800 durch Sir William Herschel als eine Art der Strahlung jenseits des roten Endes des sichtbaren Spektrums entdeckt. Die ersten Wärmebildkameras wurden 1929 entwickelt, als ein ungarischer Physiker die erste Infrarot-empfindliche elektronische TV-Kamera als Nachtsichtgerät für die Flugabwehr in Großbritannien erfand. Als der Wert dieser Erfindung bekannt wurde und die Preise in den letzten zehn Jahren rapide fielen, kamen stets neue Innovationen hinzu. Die Wärmebildtechnik ist nun für immer mehr Anwendungen und breit gefächerte Märkte verfügbar und erschwinglich und nicht länger auf ihre ursprünglichen Anwendungsgebiete beim Militär und Grenzschutz beschränkt. Mittlerweile ist die Technologie in vielfältigen Anwendungsgebieten zu finden: von der Allergiebehandlung und Veterinärmedizin bis zur Lecksuche an industriellen Rohrleitungen.

Anwendungen

Die Technologie kann zur Erkennung von Bränden eingesetzt werden, insbesondere, um der Feuerwehr dabei zu helfen, den Brandherd zu bestimmen. In Fällen, in denen die Sicht einer rein visuellen Kamera vom Rauch blockiert werden würde, zeigt die Wärmebildkamera den heißesten Teil des Feuers.

Aber auch die Sicherheitsindustrie kennt viele Anwendungsbereiche der Wärmebildtechnik. Wärmebildkameras bieten Vorteile, mit denen konventionelle Tageslichtkameras nicht mithalten können. Die Wärmebildtechnik funktioniert ohne jegliche Beleuchtung, wodurch keine kostspieligen Beleuchtungsanlagen notwendig sind. Ebenfalls ist die Erfassungsreichweite bei der Wärmebildtechnik länger als bei traditionellen CCTV-Systemen, wodurch Installationskosten gespart werden, da weniger Kameras, Masten usw. benötigt werden.

Betrachten Sie im Bild 1, wie die Wärmebildkamera eine Person ausmacht, die selbst bei relativer Nähe für eine konventionelle Kamera unsichtbar ist.

Wärmebildkameras können beispielsweise im Perimeterschutz von großem Nutzen sein. Selbst in den dunkelsten Bereichen, die konventionelle Kameras nicht einsehen können, erkennt eine Wärmebildkamera noch Bewegungen und ermöglicht Sicherheitsteams freie Sicht auf Objekte, Fahrzeuge und Eindringlinge, selbst wenn diese komplett in schwarz gekleidet sind. Besonders nützlich ist die Technologie in kritischen Sicherheitsbereichen, beispielsweise an Flughäfen und ähnlichen Anlagen.

In Kombination mit VCA-Technologien, wie TripWire und Intrusion Detection, kann so eine umfassende Sicherheitslösung entstehen.

Die Industrielandschaft im Bereich Wärmebildtechnik unterliegt einer stetigen Ausbreitung und diverse Fachunternehmen entwickeln Lösungen für alle möglichen Arten von Problemen. Auch in der Sicherheitsindustrie arbeiten die wichtigsten Anbieter mit der Wärmebildtechnik. Hikvision entwickelte 2008 die erste eigene Wärmebildkamera und hat diese im Jahr 2010 zu einer wärmebildfähigen Netzwerkkamera weiterentwickelt. 2015 schuf die Forschungs- und Entwicklungsabteilung bei Hikvision dann erstmals auch ein eigenes, unabhängiges Kameramodul.

Es gibt drei verschiedene Typen von Kameras/Detektoren.

1. Wärmebild-Detektoren und Wärmebild-Kameras zur Visualisierung der Wärmestrahlung von Objekten in einem Bereich. Üblicherweise erfolgt die Darstellung in Graustufen und im Wellenbereich SWIR, MWIR oder LWIR. LWIR ist dabei der Branchenstandard (aus Kostengründen). Die meisten Anwendungen sind in der Sicherheit und Überwachung zu finden (z. B. Perimeterschutz und Bereichsüberwachung).
2. Wärmebildkameras sind primär für Sicherheitsanwendungen, aber auch als radiometrische Kameras für die Thermografie geeignet. Diese werden üblicherweise zur Zustandsüberwachung, Temperaturüberwachung, zum Brandschutz und zur Branderkennung oder bei industriellen Sicherheitsanwendungen eingesetzt.
3. Detektoren und Kameras, die zur Prüfung und Messung ausgelegt und kalibriert sind. Über zusätzliche Parameter (z. B. Emissionsgrad, Temperaturkompensation der Hintergrundstrahlung usw.) zeigen die Kameras die absolute Temperatur auf ± 2 °C oder 2 % genau (abhängig vom Kameratyp) an, in der Regel auf einer Farbskala. Die häufigsten Anwendungen finden sich in der Elektronik, im Bauwesen und in der Industrie, aber auch Anwendungen in der Medizin, Wissenschaft sowie Forschung und Entwicklung sind bekannt.

Die Technologie

Das Verfahren der Thermografie basiert auf dem Umstand, dass Licht über das sichtbare Spektrum hinaus strahlt. Diese als Infrarot bezeichnete Strahlung wird von allen Objekten mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts (-273 °C) abgegeben und wird in Nanometern (μm) gemessen. Die Infrarotstrahlung selbst ist in drei Bandbreiten eingeteilt: nahes Infrarot bei 0,4 μm bis 2,5 μm, mittleres Infrarot bei 3,5 μm bis 4 μm und langwelliges Infrarot bei 8 μm bis 14 μm. Hierzu verwendet man den Begriff Emissionsgrad.

Da die Thermografie die von einem Objekt (oder einer Person) abgegebene Infrarotstrahlung misst und unterschiedliche Wellenlängen abbildet, ist es möglich, ohne sichtbares Licht ein Abbild der Umgebung zu erstellen. Der Begriff „Thermografie“ leitet sich aus dem Umstand ab, dass die Menge der abgegebenen Infrarotstrahlung zusammen mit der Temperatur ansteigt. Daher wird eine kalte Oberfläche anders aufgenommen als ein Mensch. Ebenfalls gibt es Unterschiede hinsichtlich der Art der Oberfläche und Materialien. Beispielsweise hat die menschliche Haut einen anderen Emissionsgrad als Stahl. Der Emissionsgrad weicht darüber hinaus mit dem Härtegrad und der Form der Oberfläche, dem Betrachtungswinkel und der Oxidation (bei Metallen) ab.

Es wird ebenfalls angemerkt, dass aufgrund der Abgabe der Strahlung durch die Oberfläche eines Objektes, das bildgebende Verfahren nicht durch Materialien hindurchsehen kann, durch welche ein menschliches Auge sehen könnte. Beispielsweise können menschliche Augen (und konventionelle Kameras) durch ein Fenster sehen, aber eine Wärmebildkamera würde lediglich die vom Glas selbst abgegebene Strahlung aufnehmen.

Eine Wärmebildkamera verwendet eine besondere Art von Linse, eine Germaniumlinse, um sichtbares Licht und UV-Licht zu reflektieren und nur Infrarotstrahlung durchzulassen. Im Inneren der Kamera wandeln ungekühlte Focal-Plane-Arrays (FPA) die Infrarotstrahlung in ein elektronisches Signal um, aus welchem dann ein Bild geschaffen wird. Üblicherweise erfolgt die Ausgabe des Bildes in einer Art Graustufen-Format, aber in den letzten Jahren wurden „farbähnliche“ Abbilder eingesetzt, damit die Bilder leichter von Menschen wahrgenommen werden können.

Die Bilder 3 und 4 zeigen die Unterschiede klar auf. Die konventionelle Kamera (Bild 3) sieht lediglich den ausgeleuchteten Bereich im Vordergrund, aber es ist nicht genug Licht vorhanden, um auch den Hintergrund zu sehen. Die Wärmebildkamera (Bild 4) arbeitet nicht mit sichtbarem Licht und wird daher nicht von den dadurch entstehenden Schatten oder einer dunklen Umgebung beeinflusst. In diesem Bild ist ganz klar eine Figur zu erkennen, die sich weit entfernt auf einem Hügel im Hintergrund befindet.

Zusammenfassung

Die Wissenschaft der Infrarot-Detektion hat viele Anwendungsbereiche, nicht zuletzt auch in der Sicherheitsindustrie. Wenn konventionelle Kameras versagen, beispielsweise bei sehr schwachen Lichtverhältnissen, bei Nebel, schlechtem Wetter oder mit Rauch gefüllten Bereichen, liefert die Wärmebildtechnik ein klares Bild. In Kombination mit konventionellen Linsen und Smart-Funktionen, wie Intrusion Detection, leistet diese Technologie einen wertvollen Beitrag für jede Sicherheitslösung.

Hikvision überschreitet stets neue Grenzen im Umgang mit dieser Technologie und schafft Innovationen, um den ständig steigenden Anforderungen der Sicherheitsbranche zu entsprechen.

Die Produkte sind in drei verschiedenen Aspekten marktführend. Sie liefern bessere Bilder aufgrund eines unabhängig entwickelten Moduls in den Kameras selbst. Sie umfassen bessere Smart-Funktionen, die den Funktionsumfang der Systeme sinnvoll erweitern. Und letztlich sind sie auch für erweiterte Anwendungen, einschließlich der Temperaturausnahme- und der Branderkennung, tauglich.