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FLIR超幀技術介紹以及案例

添加時間:2018-03-30 16:38

一種擴大熱圖像有效場景亮度,同時保持其熱對比度的技術。

什么樣的熱圖像是好圖像?好圖像就是呈現高對比度,同時顯示最細微溫差的圖像。熱像儀可以做到這一點,而且可以定義溫度范圍。

原理簡介

例如,對于室溫上下的溫度,操作人員會將熱像儀設定在-20°C至+50°C的典型溫度范圍。所有溫度超過此范圍的物體,其最亮或最熱的部位會顯示為飽和顏色;溫度低于此范圍的物體一般噪點較多。

因此,如果物體的最高溫度是+100°C,那就必須選擇+20°C至+120°C的范圍。在這種情況下,熱像儀會顯示這個+100°C物體的好圖像,但這幅圖上的室溫物體的細節對比度不如-20°C至+50°C的第一幅圖像。

合乎邏輯的做法是將兩幅圖像整合。解決方案可以是,讓熱像儀以第一個室溫范圍“拍攝”一幅圖像,然后以更高的溫度范圍“拍攝”第二幅圖像。用智能方式結合這兩幅圖像,所生成的優質圖像將包含兩幅圖像的最佳部分。這就是超幀原理。

問題和應用

處理極端溫度時,問題會變得復雜:寒冷冬夜里站在火焰旁的人就是典型的例子。圖像中最亮或最熱的部分會飽和,與此同時,場景中最暗或最冷的部分在圖像上會顯示成黑色或噪點。當一個物體顯得飽和或多噪點時,會產生兩個問題:圖像細節丟失,該場景部位的測溫值失真。

高級熱成像和測溫技術通常需要獲取溫度范圍非常寬廣的場景圖像或圖像序列。在研發用途的熱成像中,飽和問題會令人非常煩擾,因為此類用途需要溫差非常巨大的場景成像或高速數字視頻,比如引擎監控、火箭發射或一次爆炸。這個問題在中波紅外波段尤為嚴重,可使用超幀技術解決。

圖1 - 4:極端溫度下的一組焊接連續鏡頭:積分或曝光時間越短,溫度范圍就越高,黑色或噪點區域也越大。

最細微溫差,可以通過改變曝光值或熱成像系統中所謂的積分時間來控制。我們把積分時間這個術語定義為熱像儀內部熱成像探測器生成一個單幀的曝光時間。

以較長的曝光時間來操作熱像儀能夠提高靈敏度,但與此同時,這也限制了熱像儀的測溫范圍:高溫物體如此明亮,以至于它們超出了熱像儀的規定測溫范圍。如果一個場景或一組連續鏡頭包含需要同時測量的極端溫差,熱像儀的曝光時間應大大縮短。但由于超出了規定的測溫范圍,這種縮短本身會造成場景較冷區域溫差測量的能力下降,導致這些區域在屏幕上顯示為黑色或噪點,如圖1至4所示。

有沒有一個曝光時間能夠安全涵蓋一個場景的溫度變化,并精確測量該場景的所有冷熱物體?沒有,但有另一個選項。

解決方案:FLIR超幀技術

FLIR超幀技術指的是,在一個快速的連續時間內,以逐漸加快的曝光時間拍攝一組4幅具有代表性的場景圖像(子幀),然后重復這個循環。每次循環的子幀被合并為一個超幀,如我們所知,這個超幀結合了曝光時間不同的4個子幀的最佳特性。這一過程稱為疊加。采用這種方式,疊加算法生成的超幀圖像對比度高,溫度范圍廣。算法的原理很簡單:如果第一個子幀的某個像素飽和了,算法就會從下一個子幀選擇相應的像素。如果該像素符合要求,算法就停止運作,否則它會挑選下一個子幀中合適的像素,以此類推。所有像素值都轉換為最終的超幀圖像的溫度或輻射單位。

圖1、2、3用兩幅曝光時間為2毫秒和30微秒的比奇空中霸王雙螺旋槳飛機圖像展現了超幀技術。這些圖像是采用高性能中波紅外(MWIR)熱像儀系統FLIR S C7000以每秒170幀、640x512像素的全幀尺寸拍攝。這兩幅圖像間隔時間短暫(約40毫秒),意味著場景并未發生大變化;螺旋槳的運動幾乎無法察覺。

圖1、2、3用兩幅曝光時間為2毫秒和30微秒的比奇空中霸王雙螺旋槳飛機圖像展現了超幀技術。這些圖像是采用高性能中波紅外(MWIR)熱像儀系統FLIR S C7000以每秒170幀、640x512像素的全幀尺寸拍攝。這兩幅圖像間隔時間短暫(約40毫秒),意味著場景并未發生大變化;螺旋槳的運動幾乎無法察覺。

曝光時間為2毫秒的圖像,場景的每個部分都有良好的對比度,但飛機的排氣系統除外,這個部位溫度太高,以至于這部分的圖像發生飽和。(圖1)

相反地,曝光時間為30微秒的圖像沒有任何飽和,清晰地展現了排氣系統,但其余的場景溫度過低,以至于無法清楚看到系統本底噪聲以上的部位(圖2)。

用正確的算法結合這兩幅圖像,能夠生成對比度高、溫度范圍廣的圖像(圖3)。

技術

采用超幀技術需要一些技術先決條件,幸運的是,這些條件在商業市場已經成型。配備320x256或640x512像素等大型陣列、能夠生成超幀所需高幀率的商用熱像儀就是其中之一。另一個條件是能夠處理巨量數據(64 MB/S)的計算機,這些數據來自以高幀率運行的熱像儀。

這種技術已經運用在FLIR SC系列的研發和先進科技解決方案上。FLIR SC2500 - SC5000 - SC7000全系及其ALTAÏR圖像處理軟件都搭載一體化FLIR超幀功能。

總結

FLIR超幀技術大大提高了熱成像系統的有效場景亮度,同時維持了熱對比度,即便是在低溫條件下。

FLIR超幀技術的原理是,以循環的方式逐幀改變熱像儀的曝光時間或積分時間,將生成的子幀組合成溫度范圍大為擴展的單一超幀,從而拍攝出具有極端溫差的場景。

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