Cómo funde la luz térmica y visible la tecnología (pendiente de patente)

06-20-2013 | Termografía

Infrared Solutions, Inc., una compañía de Fluke, ha desarrollado una nueva tecnología de infrarrojos llamada IR-Fusion™ que funde, píxel por píxel, las imágenes visibles e infrarrojas en una sola pantalla. En este artículo se describe el novedoso enfoque pendiente de patente y de bajo coste, destinado a solventar el problema de paralaje que se produce al combinar las imágenes que se obtienen desde dos ópticas diferentes: la visible y la de infrarrojos.

Antecedentes

Hay muchas razones por las que las imágenes visibles generalmente son más nítidas y claras que las imágenes infrarrojas. Una es que los conjuntos de sensores visibles pueden hacerse con elementos detectores más pequeños y con un número de elementos mucho mayor. Otra es que dado que las imágenes visibles no se utilizan para medir la temperatura, se pueden generar únicamente con radiación reflejada, lo cual produce generalmente imágenes más definidas que la radiación emitida.

Los conjuntos de detectores visibles tienen millones de elementos, mientras que los infrarrojos tienen menos. La FlexCam de Fluke tiene un conjunto visible de 1 360 000 elementos detectores y un conjunto de infrarrojos con 1/18 en total (76 800 elementos). Como resultado, las imágenes visibles pueden tener muchos más detalles que las imágenes infrarrojas. Además, las imágenes visibles se pueden mostrar con los mismos colores, sombras e intensidades como las percibe el ojo humano, por lo que su estructura y carácter se interpretan más fácilmente que las imágenes infrarrojas.

Aunque las cámaras infrarrojas y visibles pueden registrar radiación que se emite y refleja desde un objetivo, las imágenes visibles casi siempre se producen a partir de luz reflejada visible. En contraste, las imágenes infrarrojas que se emplean para medir la temperatura, deben registrar la radiación infrarroja emitida. La radiación reflejada visible puede producir un contraste nítido con límites definidos y diferencias de intensidad; por ejemplo, puede mostrar una fina línea blanca junto a otra fina línea negra.

También es posible obtener un contraste nítido de reflejo de infrarrojos si se tienen una superficie de emisividad baja (alta reflectancia infrarroja) junto a una superficie de alta emisividad (baja reflectancia infrarroja). Sin embargo, es inusual tener superficies con diferencias nítidas de temperatura una junto a la otra. La transferencia de calor entre objetos cercanos puede restarle nitidez a las diferencias de temperatura mediante la producción de gradientes de temperatura, lo que dificulta la producción de imágenes de radiación emitida con bordes nítidos. Esta es otra razón por la cual las imágenes infrarrojas que se utilizan para medir temperaturas generalmente son menos nítidas en comparación con las imágenes visibles.

La industria necesitaba una cámara que pudiera capturar una imagen que mostrara en detalle una imagen visible y la medición de temperatura de una imagen infrarroja. La mayoría de los operadores tomaban imágenes duplicadas, una con luz visible y otra infrarroja; sin embargo, correlacionar las imágenes a veces no era fiable. Lo realmente necesario era que ambas imágenes se superpusieran automáticamente una sobre otra.

Una propuesta fue combinar una cámara visible e infrarroja en un solo instrumento de modo que ambas imágenes se tomaran de manera simultánea; sin embargo, la correlación espacial sufría de paralelaje. Funcionaba bien a largas distancias en las que el paralelaje se puede pasar por alto. Sin embargo, para aplicaciones como el mantenimiento predictivo y ciencias de la construcción en las que la cámara se utiliza a distancias moderadas o cortas, el paralelaje es un problema.

Solo infrarroja Solo visible Mezcla 50/50

Figura 1. Imágenes solo infrarrojas, solo visibles y mezcladas de la misma escena

Imágenes mezcladas visibles e infrarrojas

La tecnología IR-Fusion combina en un solo instrumento una cámara con rango de vídeo infrarrojo con una cámara con rango de vídeo de luz visible, a fin de que la escena se pueda visualizar y grabar tanto en radiación visible como infrarroja. La imagen visible se registra automáticamente (corregida para el paralelaje) y se ajusta el tamaño para adecuarse a la imagen infrarroja, de tal forma que la escena infrarroja y la visible se puedan superponer una sobre la otra en la pantalla de la cámara. El operador puede elegir entre ver solo la imagen visible, la imagen infrarroja o la combinación mezclada (fusionada) de ambas. Consulte imágenes de ejemplo en la figura 1.

Dado que la cámara combina píxel por píxel las imágenes infrarrojas y visibles, el operador puede identificar fácilmente la ubicación de los puntos de interés infrarrojos en el objetivo teniendo en cuenta dónde se encuentran las características en la imagen mezclada. Una vez que la imagen infrarroja está enfocada, el operador de la máquina puede elegir entre ver solo la imagen con luz visible y leer las temperaturas infrarrojas en la imagen visible desde los datos que no se muestran pero que se asocian con la imagen infrarroja correspondiente. Un ejemplo de esto se puede ver en el panel solo visible de la Figura 1, la cual muestra el punto más caliente a 121,7 ºF.

Con la imagen mezclada, la ubicación de una característica infrarroja de interés se puede identificar con precisión aun si el contraste infrarrojo es bajo y hay muy poca estructura en la imagen infrarroja. En la Figura 2, la ubicación exacta de un punto mal aislado en una pared plana o un techo se obtiene mediante la visualización de una pequeña mancha o marca visible en la imagen visible/infrarroja.

Modos de visualización

Las cámaras infrarrojas Fluke Ti4X y 5X con IR-Fusion™ pueden funcionar en cinco modos de visualización: 1) Imagen en imagen, 2) Pantalla completa, 3) Alarmas de color, 4) Mezcla Alfa y 5) Luz completamente visible. En cualquiera de los cuatro primeros modos, las temperaturas se registran y se pueden mostrar en la porción infrarroja de la imagen.

Combinado

Figura 2. Mezclar una escena infrarroja de bajo contraste con una imagen visible ayuda a identificar la ubicación exacta del punto infrarrojo de interés

Solo visible Solo infrarrojo Mezcla moderada

Figura 3. El modo Imagen en imagen mostrando el cuadrante central de la pantalla con solo visible, solo infrarrojo y mezcla moderada de ambas

75 % Mezcla IR 50 % Mezcla IR 25 % Mezcla IR

Figura 4. Modo Imagen en imagen mostrando el cuadrante central de la pantalla con diferentes porcentajes de mezcla de infrarrojo

Solo visible Solo infrarrojo Mezcla 50/50

Figura 5. Modo pantalla completa mostrando solo visible, solo infrarrojo y mezcla 50/50 de ambas
  1. Modo Imagen en imagen: en este modo, el cuadrante central de la pantalla solo es infrarrojo, solo visible o una mezcla de ambas. Los tres cuadrantes restantes de la pantalla están en solo visible. En este modo, la imagen infrarroja siempre se muestra en una posición fija en el centro de la pantalla.
    La figura 4 muestra una imagen mezclada con diferentes porcentajes de mezcla de infrarrojos.
  2. Modo Pantalla completa: en este modo, el cuadrante central del modo Imagen en imagen llena la pantalla. Al igual que en el modo Imagen en imagen, la pantalla completa puede configurarse en solo visible, solo infrarroja o como mezcla de ambas. La Figura 5 muestra una imagen en pantalla completa de la misma escena infrarroja que se muestra en la Figura 4.
  3. Modo Alarma de color: este modo se emplea para resaltar áreas de interés que cumplen con criterios de temperatura específicos que establece el operador de la cámara. Hay tres configuraciones disponibles: a) umbral caliente, b) umbral frío y c) rango absoluto.
    Figura 6. Ejemplo de alarma de color con umbral caliente configurado a 300 ºF
    1. a) En el modo de umbral caliente, cualquier píxel de la imagen con una temperatura superior a una configuración de temperatura aparecerá en colores infrarrojos.
    2. b) En el modo de umbral frío, cualquier píxel de la imagen con una temperatura inferior a una configuración de temperatura aparecerá en colores infrarrojos.
    3. c) En el modo de rango absoluto (isoterma), el operador de la cámara especifica la temperatura más alta y la más baja de un rango. Cualquier píxel con una temperatura dentro de este rango aparecerá en colores infrarrojos. En todos los modos de Alarma de color, los colores se establecen mediante una selección de paleta de infrarrojos y la intensidad por medio del grado de mezcla de infrarrojos. La visualización del modo se puede establecer ya sea como Imagen en imagen o Pantalla completa.

Cómo se logra el mezclado

La tecnología IR-Fusion™ coloca el motor de una cámara visible en tiempo real en el alojamiento de una cámara infrarroja en tiempo real. La colocación es tal que el eje óptico visible es tan cercano al eje óptico infrarrojo como práctico y está casi paralelo al eje infrarrojo en el plano vertical. Para corregir el paralelaje para un rango de distancias de objetivo, el campo de visión (FOV) de una de las cámaras debe ser más grande que el de la otra. El FOV visible se determinó que fuese más grande dado que las ópticas visibles en esta ocasión son menos costosas que las ópticas infrarrojas y las cámaras visibles tienen una resolución más fina. Por lo tanto, perder un poco de la imagen visible mediante el proceso de corrección del paralelaje tiene menos impacto en la cámara y en las imágenes mezcladas.

El diagrama 1 muestra el camino óptico y la configuración del sensor de la cámara infrarroja y visible combinadas. Hay dos caminos ópticos distintos y dos sensores independientes: uno para visible y otro para infrarrojo. Dado que las rutas ópticas para los sensores son diferentes, cada sensor "verá" la escena objetivo desde vistas ligeramente distintas provocando paralelajes. Este error de paralelaje se corrige de manera electrónica en la imagen combinada con los ajustes de software.

Diagrama 1. Camino óptico y configuración de sensor

La óptica visible es tal que permanece enfocada en todas las distancias en que puede utilizarse. La lente infrarroja tiene un número f bajo y como resultado, una profundidad de campo menor, lo que brinda un medio excelente para determinar la distancia hacia el objetivo. Solo la lente infrarroja necesita ajuste de enfoque para objetivos a distintas distancias.

Corrección de paralaje

La corrección de paralelaje se basa en la distancia de enfoque infrarrojo. El diagrama 2 muestra de manera geométrica la derivación de la ecuación de paralelaje.

Desde la ecuación de lente estándar

Donde: d = distancia al objeto
i = distancia a la imagen
f =longitud focal efectiva de la lente

Y desde el Diagrama 2:

Donde: q = distancia de separación entre los ejes ópticos visible e infrarrojo p = compensación de imagen en el plano focal visible

Para una determinada cámara, la distancia de separación q y la longitud focal de la lente f son fijas. Por lo tanto, a partir de la ecuación anterior, la compensación de imagen visible es una función exclusiva de la distancia del objetivo. q d Ruta óptica infrarroja p i d Ruta óptica de luz visible

Diagrama 2. Geometría de paralaje

Cuando se captura una imagen, la imagen totalmente visible y la imagen totalmente infrarroja, con todos los datos adicionales, se guardan en un archivo de imagen en la tarjeta de memoria de la cámara. La parte no mostrada de la imagen visible que se encuentra fuera de las dimensiones de la pantalla cuando se tomó la imagen se guarda como parte de la imagen visible. Posteriormente, si se requiere el ajuste posterior al procesamiento en el registro entre la imagen infrarroja y la visible en una computadora, la imagen visible completa está disponible para realizar tales ajustes.

Conclusión

Un enfoque novedoso para resolver el problema del paralelaje para una cámara con óptica visible e infrarroja ha provocado el lanzamiento de una cámara comercial que mejora significativamente el rendimiento y la utilidad para el mantenimiento predictivo y las aplicaciones de ciencias de la construcción. De manera específica, ofrece detalles espaciales ampliamente mejorados para imágenes infrarrojas y contribuye a la identificación de la ubicación exacta de los puntos infrarrojos de interés.

Agradecimientos

El autor Roger Schmidt, desea agradecer el trabajo excepcional del equipo de ingeniería de Infrared Solutions, Inc. al inventar y desarrollar esta cámara única. El equipo estuvo dirigido por Kirk Johnson y Tom McManus y contó con el apoyo de Peter Bergstrom, Brian Bernald, Pierre Chaput, Lee Kantor, Mike Loukusa, Corey Packard, Tim Preble, Eugene Skobov, Justin Sheard, Ed Thiede y Mike Thorson. Asimismo, el autor desea agradecer el trabajo de Tony Tallman para el software informático, el cual facilitó proporcionar estas reveladoras imágenes en el papel.

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