Wie eine zum Patent angemeldete Technologie thermisches und sichtbares Licht mischt

06-20-2013 | Thermografie

Das Fluke-Unternehmen Infrared Solutions, Inc. hat eine neue Infrarot-Technologie mit dem Namen IR-Fusion™ entwickelt, mit der, Pixel für Pixel, sichtbare und Infrarotbilder auf einem einzigen Display überlagert werden können. Dieser Artikel beschreibt eine zum Patent angemeldete neue und kostengünstige Vorgehensweise, um das Parallaxenproblem der Kombination von Bildern aus getrennter Sicht- und Wärmebildoptik zu lösen.

Hintergrund

Es gibt viele Gründe, warum sichtbare Bilder in der Regel schärfer und klarer als Infrarotbilder sind. Einer davon ist, dass Sensorarrays für sichtbares Licht mit kleineren und einer weitaus größeren Anzahl von Detektorelementen hergestellt werden können. Ein anderer Grund besteht darin, dass, da sichtbare Bilder nicht zur Temperaturmessung verwendet werden, diese Bilder ausschließlich mit reflektierter Strahlung generiert werden können. Dies führt in der Regel zu schärferen Bildern als bei emittierter Strahlung.

Detektor-Arrays für sichtbares Licht verfügen über eine Anzahl von Elementen im Millionenbereich im Gegensatz zu Infrarot-Detektor-Arrays, die weitaus weniger besitzen. Die FlexCam von Fluke verfügt über 1.360.000 Detektor-Arrays für sichtbares Licht und ein Infrarot-Array mit einem Achtzehntel davon (76.800 Elemente). Aus diesem Grund verfügt ein sichtbares Bild über eine weitaus höhere Detailgenauigkeit als ein Infrarotbild. Hinzu kommt, dass sichtbare Bilder mit den gleichen Farben, Abstufungen und einer Sättigung dargestellt werden können, die der Sicht des menschlichen Auges entspricht. Dies bedeutet, dass Struktur und Charakter dieser Bilder einfacher als Infrarotbilder interpretiert werden können.

Trotz der Tatsache, dass Infrarot- und herkömmliche Kameras Strahlung wiedergeben können, die von einem Objekt sowohl emittiert als auch reflektiert sind, entstehen sichtbare Bilder fast ausnahmslos durch die Reflexion von Lichtstrahlen. Im Gegensatz hierzu müssen Infrarotbilder zur Temperaturmessung emittierte Infrarotstrahlung aufzeichnen. Reflektierte sichtbare Strahlung kann scharfen Kontrast mit scharfen Kanten und Intensitätsunterschieden produzieren. Eine dünne weiße Linie kann beispielsweise neben einer dünnen schwarzen Linie liegen.

Ein gut definierter Infrarot-Reflexionskontrast kann auch durch Oberflächen mit geringem Emissionsgrad (hohe Infrarotreflexion) neben einer Oberfläche mit hohem Emissionsgrad (niedrige Infrarotreflexion) erreicht werden. Es ist jedoch ungewöhnlich, dass sich Oberflächen mit hohem Temperaturunterschied nebeneinander befinden. Wärmeübertragung zwischen dicht beieinanderliegenden Objekten kann Temperaturunterschiede verwischen. Dies führt zur Bildung eines Temperaturgefälles mit dem Problem, scharfkantige Bilder emittierter Strahlung wiederzugeben. Dies ist auch ein Grund, warum Infrarotbilder zur Temperaturmessung weniger Schärfe im Vergleich zu sichtbaren Bildern aufweisen.

Die Industrie benötigte eine Kamera, die ein Bild aufzeichnen kann, das die Detailtreue eines sichtbaren Bildes und die Temperaturmessung eines Infrarotbildes kombiniert. Die meisten Bediener verwendeten eine Methode, bei der zwei Bilder, eines mit sichtbarem Licht und eines mit Infrarotstrahlung, aufgenommen wurden, aber die exakte Zuordnung der Bilder war mitunter problematisch. Was gebraucht wurde, war die Möglichkeit, die beiden Bilder automatisch zu überlagern.

Ein Vorschlag war, eine normale und eine Wärmebildkamera nebeneinander in einer Vorrichtung zu kombinieren, damit beide Bilder gleichzeitig aufgenommen werden können, aber bei der räumlichen Korrelation traten Parallaxenfehler auf. In der Praxis funktionierte dies auch gut bei größeren Entfernungen, bei der die Parallaxe vernachlässigt werden kann. Bei Anwendungen jedoch wie vorausschauender Instandhaltung oder bei bauphysikalischen Anforderungen, bei denen die Kamera über kurze bis mittlere Distanzen verwendet wird, treten Probleme mit der Parallaxe auf.

Infrarot Nur sichtbar 50/50-Überlagert

Abbildung 1. Nur Infrarot, nur sichtbar und überlagerte Bilder der gleichen Szene

Überlagerte sichtbare und Infrarotbilder

Bei der IR-Fusion-Technologie wird eine Infrarot-Videokamera und eine normale Kamera für sichtbares Licht in einer einzigen Vorrichtung kombiniert und die Szene kann sowohl mit sichtbarer als auch mit Infrarotstrahlung beobachtet und wiedergegeben werden. Das sichtbare Bild wird automatisch registriert (mit Parallaxenkorrektur) und der Größe des Infrarotbildes angeglichen. Somit können die Infrarotszene und die sichtbare Szene sich gegenseitig auf dem Kameradisplay überlagern. Der Bediener kann entweder das sichtbare Bild allein, das Infrarotbild allein oder die beiden Bilder überlagert (verschmolzen) betrachten. Siehe Beispielbilder in Abbildung 1.

Da das Infrarot- und das sichtbare Bild Pixel für Pixel von der Kamera wiedergegeben werden, kann der Bediener auf einfachem Weg die Anordnung der für ihn wichtigen Infrarotbereiche auf dem überlagerten Bild ausmachen. Sobald sich das Infrarotbild im Fokus befindet, kann sich der Bediener nur das Bild des sichtbaren Lichts anzeigen lassen und die Infrarottemperaturen auf dem sichtbaren Bild von nicht-dargestellten, aber mit dem Infrarotbild verbundenen Daten lesen. Ein Beispiel hierfür befindet sich im Feld „nur sichtbar“ in Abbildung 1, bei dem der heißeste Bereich bei 121.7 F (50 °C) liegt.

Über das Überlagerungsbild kann die Anordnung eines Infrarotbereichs präzise identifiziert werden, selbst wenn der Infrarotkontrast gering ist und im Infrarotbild wenig Struktur herrscht. In Abbildung 2 kann die genaue Lage eines schlecht isolierten Bereichs an einer flachen Wand oder einer Decke über die Anordnung des kleinen Flecks im überlagerten sichtbaren/Infrarotbild bestimmt werden.

Anzeigemodi

Die Wärmebildkameras mit IR-Fusion™ der Serien Ti4X und 5X können in fünf Anzeigemodi verwendet werden: 1) Bild-im-Bild, 2) Vollbild und 3) Farbalarm, 4) Alpha-Überlagerung und 5) Vollständig sichtbares Licht. In allen der ersten vier Betriebsarten werden Temperaturen aufgezeichnet und können im Infrarotbereich des Bildes angezeigt werden.

Überlagert

Abbildung 2. Bei der Überlagerung eines Infrarotbildes mit geringem Kontrast kann die genaue Anordnung eines bestimmten Infrarotbereichs identifiziert werden

Nur sichtbar Nur Infrarot Schwach Überlagert

Abbildung 3. Bild-im-Bild-Modus mit dem mittleren Display-Quadrat bei „Nur sichtbar“, „Nur Infrarot“ und „Schwach Überlagert“

75 % IR-Überlagerung 50 % IR-Überlagerung 25 % IR-Überlagerung

Abbildung 4. Betriebsart „Bild-im-Bild“ mit dem mittleren Display-Quadrat bei unterschiedlicher Infrarot-Intensität

Nur sichtbar Nur Infrarot 50/50-Überlagert

Abbildung 5. Vollbild-Modus mit „Nur sichtbar“, „Nur Infrarot“ und einer 50/50-Mischung davon
  1. Bild-im-Bild-Modus. Im Bild-im-Bild-Modus wird das mittlere Display-Quadrat bei „Nur Infrarot“, „Nur sichtbar“ oder einer Mischung davon dargestellt. Der verbleibende Teil des Displays befindet sich im Modus „Nur sichtbar“. In diesem Modus wird das Infrarotbild stets in der Mitte des Displays fixiert angezeigt.

    Abb. 4 zeigt ein überlagertes Bild mit unterschiedlicher prozentualer Überblendung.

  2. Vollbild-Modus. Im Vollbild-Modus füllt das mittlere Display-Quadrat das Display aus. Wie beim Bild-im-Bild-Modus kann das Vollbild als „Nur sichtbar“, „Nur Infrarot“ und mit einer Überlagerung der beiden Modi dargestellt werden. Abbildung 5 zeigt ein Vollbild des gleichen Ausschnitts aus Abbildung 4 an.
  3. Farbalarm-Modus. Der Farbalarm-Modus wird verwendet, um bestimmte Bereiche hervorzuheben, die einer vom Bediener der Kamera bestimmten Temperaturvorgabe entsprechen. Es sind drei Einstellungen verfügbar: a) Hitzegrenze, b) Kältegrenze und c) Absolutbereich.
    1. Im Hitzegrenze-Modus erscheinen alle Pixel im Bild mit einer Temperatur über einer bestimmten Grenze in Infrarotfarben.
    2. Im Kältegrenze-Modus erscheinen alle Pixel im Bild mit einer Temperatur unter einer bestimmten Grenze in Infrarotfarben.
      Abbildung 6. Farbalarm-Beispiel mit einer Hitzegrenze von 150 °C
  4. Im Absolutbereich-Modus (Isotherm) gibt der Bediener der Kamera sowohl einen oberen als auch einen unteren Temperaturwert eines Bereichs an. Alle Pixel mit einer Temperatur in diesem Bereich erscheinen in Infrarot-Farben. Bei allen Farbalarm-Modi werden die Farben über die Auswahl der Infrarot-Palette und dem Intensitätsgrad der Infrarot-Überblendung eingestellt. Der Displaymodus kann entweder als Bild-im-Bild oder Vollbild bestimmt werden.

Wie wird die Überlagerung erzielt

Bei der IR-Fusion™ wird die Technologie einer Echtzeit-Kamera für sichtbares Licht in das Gehäuse einer Echtzeit-Infrarot-Kamera integriert. Die Elemente sind so angeordnet, dass sich die sichtbare optische Achse so nah wie möglich an der optischen Infrarot-Achse befindet und in etwa parallel zur Infrarot-Achse in der vertikalen Ebene ausgerichtet ist. Zur Parallaxenkorrektur bei einem Zielentfernungsbereich muss das Blickfeld (FOV) bei einer der Kameras größer sein als das der anderen. Das sichtbare FOV wurde größer gewählt, da die optischen Elemente für sichtbares Licht im Moment billiger als die der Infrarot-Optik sind und Kameras für sichtbares Licht über eine weitaus höhere Auflösung verfügen. Aus diesem Grund hat der Verlust eines Teils des sichtbaren Bildes aufgrund der Parallaxenkorrektur nur geringe Auswirkungen auf die Kamera und die überlagerten Bilder.

Diagramm 1 verdeutlicht die Konfiguration von Lichtweg und Sensor der kombinierten Kamera für Infrarot-/sichtbares Licht. Es existieren zwei eindeutige Lichtwege und zwei unabhängige Sensoren; einer für sichtbares Licht und einer für Infrarot. Dadurch, dass sich die Lichtwege für die Sensoren unterscheiden, „sieht“ jeder Sensor die jeweilige Szene aus einem geringfügig versetzten Winkel, was den Parallaxe-Fehler hervorruft. Dieser Parallaxe-Fehler wird im Bild elektronisch durch die Software korrigiert.

Diagramm 1. Konfiguration von Lichtweg und Sensor

Die Optik für sichtbares Licht ist so gestaltet, dass ein scharfes Bild bei allen Entfernungen gewährleistet ist. Das Wechselobjektiv für Wärmebildkameras hat eine tiefere Blendeneinstellung und damit eine geringere Tiefenschärfe und hierdurch kann der Abstand zum Zielobjekt sehr genau festgelegt werden. Bei Objekten in unterschiedlichen Abständen muss nur das Wechselobjektiv für Wärmebildkameras scharf eingestellt werden.

Parallaxenkorrektur

Die Parallaxenkorrektur richtet sich nach dem Infrarot-Fokusabstand. In Diagramm 2 wird, geometrisch, die Ableitung der Parallaxengleichung verdeutlicht.

Von der Gleichung für das Standard-Objektiv

Wobei; d = Abstand zum Objekt
i = Abstand zum Bild
f = effektive Brennweite des Objektivs

Und von Diagramm 2:

Wobei; q = Trennungsabstand zwischen der Achse für sichtbares Licht und Infrarot-Achse p = Bildverschiebung an der sichtbaren Bildebene

Bei einer vorgegebenen Kamera ist der Trennungsabstand q und die Brennweite des Objektivs f festgelegt. Aus der obigen Gleichung berechnet sich also die sichtbare Bildverschiebung nur als Funktion der Zieldistanz. q d Infrarot-Lichtweg p i d Lichtweg für sichtbares Licht

Diagramm 2. Parallaxengeometrie

Bei einer Bildaufnahme werden die Daten für das vollständige sichtbare Bild und das vollständige Infrarotbild mit allen Zusatzdaten in einer Bilddatei auf der Speicherkarte in der Kamera gespeichert. Der Abschnitt des sichtbaren Bildes, der nicht wiedergegeben wird und bei der Aufnahme außerhalb der Display-Abmessungen liegt, wird als Teil des sichtbaren Bildes gespeichert. Später, wenn bei der Nachbearbeitung Einstellungen am PC bei der Registrierung zwischen dem Infrarot- und dem sichtbaren Bild vorgenommen werden müssen, ist das hierfür benötigte sichtbare Gesamtbild verfügbar.

Fazit

Ein neuartiger Ansatz zur Lösung des Parallaxenproblems bei einer Kamera mit einer Optik für sichtbares Licht und gleichzeitiger Infrarot-Optik führte zur Entwicklung einer kommerziellen Kamera mit signifikanten Verbesserungen der Leistungscharakteristiken und des Anwendungsbereichs bei Verwendungen im Bereich der vorausschauenden Instandhaltung und Bauphysik. Vor allem wurde die Detailschärfe für Infrarotbilder deutlich verbessert und die Kamera erleichtert die Identifikation der exakten Anordnung von bestimmten Infrarotobjekten.

Danksagungen

Der Autor, Roger Schmidt, bedankt sich für die außerordentliche Arbeit des Technikerteams von Infrared Solutions, Inc. bei der Konzeption und Entwicklung dieser einzigartigen Kamera. Das Team wurde angeführt von Kirk Johnson und Tom McManus und unterstützt durch Peter Bergstrom, Brian Bernald, Pierre Chaput, Lee Kantor, Mike Loukusa, Corey Packard, Tim Preble, Eugene Skobov, Justin Sheard, Ed Thiede und Mike Thorson. Der Autor bedankt sich außerdem bei Tony Tallman für die Arbeit an der PC-Software, mit der diese aufschlussreichen Bilder problemlos in diesen Bericht integriert werden konnten.