Cosa sono i visori termici?

Rispetto al visore notturno che è in grado di sfruttare la luce infrarossa (residua) riflessa e che è impercettibile dall’occhio umano, il visore termico si basa sulla mera rilevazione del calore che è emesso da un corpo o da un oggetto con temperatura superiore agli zero gradi.  Sintetizzando, posso confermare che le termocamere sfruttano la luce infrarossa emessa dagli oggetti tramite il calore, i visori notturni, invece, la luce infrarossa riflessa dagli stessi oggetti.
Sul mercato si possono trovare due tipi principali di visori termici: quelli in cui l’immagine visualizzata mostra l’aurea di calore emanata dal corpo e quelli a scansione che sono dotati di un rilevatore di raggi infrarossi. Le informazioni sono acquisite da un sistema in grado di scansionare la scena inquadrata. Il segnale termico è poi convertito in segnale elettronico e inviato, grazie al processore, al display digitale.

LE CARATTERISTICHE TECNICHE DI UN VISORE TERMICO

I cacciatori che sono anche appassionati di fotografia, prima dell’acquisto della loro fotocamera, avranno dovuto senz’altro affrontare il problema dei pixel (il piu’ piccolo elemento di un’immagine). Spesso le aziende utilizzano la “corsa ai pixel” per illustrare le potenzialità di un sistema fotografico, senza precisare che essi sono soltanto una caratteristica tra le tante, in grado di decretare la qualità di un sistema fotografico. Lo stesso accade per i visori termici, infatti, le termocamere altro non sono che dei convertitori di immagini e, per tale motivo, le loro potenzialità dipendono da vari fattori:

  • Risoluzione del sensore (pixel)
  • Sensibilità termica
  • Correzione della non uniformità (rumore termico)
  • Software di gestione e interpolazione delle immagini

Attualmente nel settore venatorio sono disponibili decine di visori termici che, in base alla grandezza del loro sensore, possono essere suddivisi in tre fasce principali:

Bassa risoluzione – ≤ 160×120 (19.200 pixel)
• Risoluzione media: 320×240 (76.800 pixel) oppure  384 x 288 oppure 400x 300
• Alta risoluzione – 640×480 (307.200 pixel)

A dispetto della fotografia, dove ormai esistono fotocamere dotate di sensori da oltre cinquanta milioni di pixel (un valore spesso inutilizzato in fase di stampa dilettantistica) nel settore dei visori termici, le differenze di prestazioni tra i prodotti di fascia bassa e i piu’ pregiati sono nettamente percepibili. Se poi consideriamo che i piu’ preformanti visori termici forniscono una risoluzione di 640x 480 pixel, si tratta di una frazione di spazio non solo perfettamente gestibile dal display di un monitor ma anche da una stampante casalinga.

IL PIXEL PITCH

Il termine piu’ utilizzato dai costruttori è il pixel pitch. Ma di cosa si tratta? Il cuore di un visore termico è il rilevatore IR che è composto da un insieme di pixel termici, che formano una matrice regolare di pixel. La distanza in micron tra i centri di due pixel adiacenti è il pixel pitch e si misura, per l’appunto, in micron. Il dettaglio fornito da un visore termico dipende anche dalla dimensione dei pixel. Minore è la loro dimensione, minore è il pixel pitch e maggiori dettagli si vedranno. Quindi, una maggiore densità di pixel produce una immagine piu’ dettagliata, anche se, come per i sensori fotografici, sarà necessario gestire e limitare il rumore termico. Avere un’ottima risoluzione è anche fondamentale per percepire dettagli durante le condizioni avverse, come in caso di pioggia, nebbia o fumo.

POTERE RISOLUTIVO DEL SENSORE

Allo stato attuale della tecnologia termica, il potere risolutivo del sensore è un fattore fondamentale per la visione di immagini ottimali.

Fig.1 – Simulazione di una figura umana ripresa con sensori da pochi pixel sino a sensore piu’ performanti

Un altro beneficio che si evidenzia nell’ utilizzare un sensore ad alta risoluzione è la possibilità di ingrandire attraverso lo zoom ottico senza perdere nitidezza nel dettaglio. La maggior parte delle termocamere è equipaggiata, infatti, con un obiettivo in grado di mostrare circa 25 °, 30° di campo. Per questo motivo, in linea generale, una termocamera con un sensore da 640×480 pixel con zoom digitale 2x, fornirà delle prestazioni simili a quelle di un visore termico dotato di sensore da 320×240 ma con una piu’ costosa ottica di maggior focale, che inquadra, ad esempio, un campo di 12°.

LA SENSIBILITA’ TERMICA o NETD

La seconda caratteristica che influisce sulla qualità dell’immagine è la sensibilità termica. Questo valore è poco unificato giacché esistono test differenti per quantificarne le prestazioni. Del resto la sensibilità termica varia al variare della temperatura dell’oggetto, il rapporto segnale (crescente) e rumore (fisso) migliorerà durante la visualizzazione degli oggetti molto caldi. Purtroppo i visori termici sono utilizzati principalmente per analizzare le basse temperature termiche e il loro differenziale (ambiente o animali e uomini); per questi motivi, il contrasto termico non sarà mai molto elevato.

Quest’ultima caratteristica, talvolta, è evidenziata nei cataloghi dei costruttori con l’acronimo” NETD”  Noise Equivalent Temperature Difference”. Esso esprime la capacità che ha un rilevatore di immagini termiche di percepire differenze molto piccole nella radiazione termica della scena inquadrata. Quando il rumore termico equivale alla minima differenza di temperatura che è possibile misurare, un visore termico ha raggiunto la sua capacità di riuscire a risolvere un segnale termico utile. Quindi maggiore è il rumore e maggiore è il valore NETD del visore.  Propongo qui di seguito una simulazione per mostrare l’ipotetica differenza di rumorosità tra un’immagine ottenuta con un visore da 50 Milli Kelvin e una immagine con un visore con un NETD di 80 Milli Kelvin.

Fig.2 – Cortesia: https://www.test-equipment.com.au/

IL RUMORE TERMICO

La radiazione infrarossa è assorbita da ogni pixel con una modalità semplice quanto efficace. Il circuito elettrico di un sensore infrarossi, infatti, è molto elementare e consente di convertire il differente cambiamento di temperatura da pixel a pixel in un valore digitale. Per questo motivo, tutti i segnali analogici trasportano anche un certo livello di “rumore” che è generato dal sensore. È proprio il rapporto tra segnale e rumore che influisce negativamente sulla qualità di una immagine e per tale motivo con i visori termici meno performanti sarà più visibile “quello che molti definiscono “la neve” nelle immagini.

Anche il diametro dell’obiettivo e la sua apertura focale sono indispensabili per migliorare le prestazioni del sensore. Di solito un comune obiettivo fotografico zoom ha un rapporto focale compreso tra F/3.5 e F/5.6 mentre gli obiettivi fissi piu’ costosi possono arrivare a F/1.2. I cellulari di contro, per motivi di miniaturizzazione dei componenti, possono spingersi sino a rapporti focali pari a F/20.

I sensori termici, invece, necessitano di ottiche molto luminose, come ad esempio gli obiettivi aperti a F/1 o a F/1.2. Infatti un visore termico con 50mk se usato con un obiettivo aperto a F/1.4 raggiungerà una sensibilità paragonabile a 100 mk, che diventeranno 200 mk se utilizzato con un costoso obiettivo aperto a F/1.

LA CALIBRAZIONE  (NUC)

Più aumenteranno i pixel nella risoluzione e la sensibilità termica dello strumento, maggiori possibilità avrà l’occhio umano di percepire piccole differenze di qualità della immagine.
Questo processo si chiama NUC, ossia “Calibrazione o correzione della non uniformità” ed è possibile percepirla ogni qualvolta un visore termico congelerà l’immagine, emettendo un “clic”.

Quando la scena e l’ambiente cambiano, l’otturatore del visore si abbassa tra l’ottica e il rilevatore; siccome il calore della termocamera può interferire con le corrette letture di temperatura, per migliorarne la precisione, la telecamera misurerà la radiazione IR dalla propria ottica e poi regolerà l’immagine in base a tale lettura.

Fig.3 Differenza tra immagine calibrata e non calibrata. Cortesia: https://www.flir.com/

La calibrazione aumenta il guadagno e l’offset in ogni pixel, riuscendo a fornire una immagine di qualità superiore. Ciò avviene grazie al blocco dell’otturatore che funge da sorgente di riferimento piatta su cui il rilevatore si calibra e stabilizza termicamente. Questo avviene nelle termocamere non raffreddate anche se talvolta è previsto nei modelli raffreddati. In alcune tabelle tecniche si può trovarlo anche con l’acronimo FFC (correzione del campo piatto).

RAPIDITA’ OPERATIVA

All’inizio la fotocamera termica eseguirà spesso la calibrazione che si ridurrà quando raggiungerà una temperatura operativa stabile.  Nell’uso pratico sul campo, anche se le aziende pubblicizzano una rapidità operativa dopo circa 20-25 secondi, ci vorranno almeno venti minuti in un ambiente stabile per fornire una stima molto precisa. Alcuni modelli di visori termici per l’attività venatoria consentono di attivare a piacere il NUC quando si ha l’esigenza di verificare con attenzione una lettura, anche se è più comune trovare questa caratteristica nelle termocamere scientifiche.

IL SOFTWARE DI GESTIONE DELLE IMMAGINI

A volte l’appassionato si basa unicamente sulla grandezza del sensore e sulle altre peculiarità appena citate, per acquistare il proprio visore termico, senza poter verificare le potenzialità del software integrato. Un sensore da 640×480 pixel, infatti, trasmetterà sovente le immagini su un display di maggior risoluzione e caratteristiche quali: l’interpolazione, il contrasto, la nitidezza potranno- a parità di sensore- decretare una immagine qualitativamente migliore. Per tale motivo a parità di componentistica, le immagini migliori saranno visibili nello strumento che possiede il miglior software di ripresa e di gestione e non è un fattore da considerare con sufficienza. Personalmente, nel corso degli ultimi anni, ho appurato delle enormi differenze tra strumenti che “tabella tecnica” alla mano, sembravano poter offrire le stesse prestazioni ma che poi, nell’uso pratico, mostravano delle incredibili differenze. Lo stesso accade nel settore fotografico. Con la creazione di nuovi e sempre piu’ potenti programmi di fotoritocco è attualmente possibile migliorare delle immagini scattate con fotocamere digitali  ormai obsolete, con dei risultati sorprendenti per ciò che concerne l’interpolazione o l’abbattimento del rumore.

Fig.4- Immagini ottenute  con un binocolo termico con un sensore da 400×300 px con obiettivo 50 mm F/1

BREVE PANORAMICA SULLE TERMOCAMERE

Dopo questa ampia premessa, crediamo sia possibile suddividere i visori termici in cinque grandi categorie, ognuna della quali a sua volta potrà avere delle differenti peculiarità. Resta il fatto che, dato l’ampio sviluppo della tecnologia termica, quanto è stato scritto potrebbe essere confutabile soltanto tra pochissimi mesi.

AGGIUNTIVI PER SMARTPHONE

Fig.5 – Un aggiunto per smartphone venduto da FLIR

Questi sono i prodotti piu’ economici per entrare nel mondo della visione termica. Sono dei piccoli accessori portatili e alcuni si collegano all’obiettivo del proprio smartphone scansionando una ampia zona panoramica. Di solito sono utilizzati dai tecnici per verificare la presenza di umidità nei muri o le infiltrazioni di acqua.  Nell’utilizzo outdoor patiscono la scarsa luminosità, cui si può ovviare soltanto sfruttando un’ottica di discreto diametro. Anche i sensori non sono molto grandi, gli aggiuntivi per smartphone hanno sensori da 80 x 60 pixel.

STRUMENTI PALMARI

Fig.6 – un visore termico “palmare” venduto da Leupold

Sono i visori termici piu’ piccoli e compatti, ai tempi della loro presentazione alcuni modelli sfioravano i 16.000 euro, ora, si possono acquistare per poche centinaia di euro. Rispetto ai modelli piu’ costosi, hanno un display piccolo e di qualità non eccelsa. Talvolta i pixel del sensore non presentano la stessa risoluzione del display. Per questo motivo il processore è obbligato a interpolare le immagini, mostrando nel contempo ritardi o scie di movimento. Di solito possiedono sensori compresi da 80×60 pixel sino a 60×120 pixel.

VISORI TERMICI

Questa è la fascia piu’ ampia per ciò che concerne i prezzi e le prestazioni.  Di solito, investendo 1500 euro è possibile acquistare dei visori termici performanti nella medio-breve distanza. Si potranno seguire i soggetti in tempo reale e con i migliori prodotti, anche avvistare animali di media taglia sino a duecento metri di distanza. Spendendo circa 2500 euro, sarà possibile identificare gli animali anche a trecento-quattrocento metri. La dotazione di questi visori termici è pregevole con un ottimo display e sensore che in media forniscono 320×240 pixel. Possiedono anche un’ottima risoluzione e un’alta frequenza di aggiornamento del display, spesso di 60 Hz.

Fig.7- Piergiovanni Salimbeni osserva nel visore termico Zeiss DTI 3/35

A costi superiori  (dai 3000 euro in su) sono associati  a sensori di maggior potere risolutivo 640×480 (307.200 pixel) obiettivi di grande diametro, compresi spesso tra i cinquanta e i settantacinque millimetri, addirittura con rapporti focali pari a F/1, laddove nel settore fotografico sono proposte ottiche aperte a F /1.4 , F/2.8. I sistemi di ripresa video, oltretutto, sono sempre molto affidabili, così come la capacità di buffering (velocità di trasferimento e registrazione del flusso dei dati nel sistema di archiviazione.) I miglior, inoltre, sono robusti, impermeabilizzati e in grado di resistere anche a dei forti impatti. Rispetto ai modelli degli anni passati, iniziano a essere dotati di batterie sempre più potenti e meno voluminose. Chi dovesse utilizzare un visore termico per molte ore e non avesse problemi particolari di budget, potrebbe preferire un modello dotato di sistema binoculare. Ovviamente tali prodotti possono costare anche settemila euro.

CLIP-ON

Fig.8 – Il collaboratore di “Termicienotturni.it” , Marco Isabella durante il test del Clip-on Pulsar Proton XQ30

È un sistema aggiuntivo che si collega ai cannocchiali da tiro. Di solito sono venduti a cifre comprese fra i mille e i tremila euro e consentono di sfruttare la luminosità del diametro dello strumento ottico utilizzato. Consiglio sempre di acquistare il clip-on piu’ costoso che ci si possa permettere ed è normale che le sue prestazioni dipendano otticamente dal cannocchiale utilizzato ma anche da alcuni componenti meccaniche (robustezza del telaio del cannocchiale da tiro, solidità degli anelli di fissaggio e così visa)
Un lato negativo (nei prodotti molto economici) e la eventuale inferiore resistenza nel lungo periodo rispetto a un cannocchiale da tiro termico e in alcuni casi la creazione di un “treno ottico” piu’ ingombrante.

CANNOCCHIALI TERMICI DA TIRO

Funzionano nello stesso modo, tuttavia, devono possedere delle caratteristiche specifiche per resistere a colpi tirati con calibri spinti.
L’ estrazione pupillare dell’oculare deve essere di almeno 40-90 mm, i modelli più sofisticati possiedono anche un inclinometro per agevolare nel calcolo dell’angolo di tiro. Il loro scafo ottico è comunemente costruito in alluminio al posto del più leggero ma fragile policarbonato.

Fig.9 – Il cannocchiale termico ATN MARS 4 durante il test al campo da tiro

PERCHE’ INVESTIRE NEI PRODOTTI PIU’ COSTOSI?

Quali solo i reali vantaggi di possedere un visore termico di alta qualità rispetto al classico entry level? Li abbiamo riassunti, qui di seguito, per punti:

  • Migliore qualità di immagine
  • Superiore capacità di identificare dei bersagli a basso contrasto termico
  • Potere risolutivo in grado di identificare con precisione soggetti piu’ distanti.
  • Minore rumore termico
  • Migliore efficacia nello scansionare dettagli situati a distanze differenti
  • Possibilità di avvalersi di un obiettivo dal costo inferiore se il  sensore CMOS è di alta qualità e risoluzione.
  • Migliore gestione delle anomalie in fase di lettura della temperatura
  • Software di gestione piu’ complesso e affidabile

Per questi motivi non voglio di certo obbligare i lettori ad acquistare il visore termico piu’ costoso sul mercato, ma quanto meno consigliare di acquistare quello piu’ costoso che si potranno permettere. Perché saranno ripagati del sacrificio durante l’utilizzo sul campo.

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