logo logo

Факторы, влияющие на качество изображения тепловизора

Факторы, влияющие на качество изображения тепловизора

Не вызывает сомнений, что вы уже давно заменили старую пленочную камеру на новую цифровую. И, вполне вероятно, что при выборе цифровой камеры вы судили о качестве получаемого ей изображения по такому параметру, как количество пикселей термочувствительной матрицы. Однако, если вы читаете отзывы покупателей об оценке работы камер, то должны понимать, что их качество в большей степени зависит от других параметров. Поскольку принцип действия инфракрасной камеры основан на преобразовании температурной картины в визуальную, то для оценки качества получаемого изображения вам достаточно знания следующих параметров: разрешение получаемого изображения, температурная чувствительность матрицы и уровень шума. Довольно часто в информационных руководствах по ИК-камерам приводят множество различных параметров, которые вам, как пользователю, не принесут никакой пользы и будут вообще непонятны. В предложенной статье мы постараемся объяснить вам, исходя из каких параметров определяется качество изображения, а также зависимость качества картинки от значений параметров. Мы подробно разберем все три параметра, напрямую влияющих на качество теплового изображения и обсудим возникающие вопросы.

Разрешение ИК-камеры.

Первый параметр – разрешение получаемого термочувствительного изображения. На сегодняшний день существует три принятых стандарта разрешения изображений (могут различаться у разных производителей):

  1. Низкое разрешение –  до 19600 пикселей (160х120 точек).
  2. Среднее разрешение – до 76800 пикселей (320х240 точек).
  3. Высокое разрешение – до 307200 пикселей (640х480 точек).

Нужное вам разрешение, определяется, в первую очередь, используемым приложением для обработки изображения и уровнем качества, устанавливаемым вами вручную в установках. При оценке качества изображения камер с матрицами размером 5 мегапикселей и 10 мегапикселей, большинство пользователей не заметят никакой разницы, так как отпечатать изображение с таким разрешением довольно проблематично. В том случае, если вы собираетесь всегда распечатывать и демонстрировать полное разрешение, получаемое тепловизором, то вам достаточно использовать прибор с более скромными параметрами. Даже при разрешении 640х480 пикселей, получаемое тепловое изображение будет занимать лишь часть дисплея современного компьютера и при выводе на печать требуемое качество будет реализовано в полной мере. Поэтому при оценке качества изображений, получаемых с помощью инфракрасных камер – число пикселей матрицы является важным параметром, но наиболее значимым параметром является уровень разрешения изображения.
Разрешение 160х120 точек
Разрешение 160х120 точек.
Разрешение 320х240 точек
Разрешение 320х240 точек.
Разрешение 640х480 точек
Разрешение 640х480 точек.
Еще одним преимуществом высокого разрешения является возможность масштабирования съемки без потери качества изображения. Основная часть тепловизоров оснащена стандартной оптической системой с горизонтальным углом обзора около 25°.  Независимо от числа пикселей, качество изображения прибора с разрешением 640х480 точек, установленного на двукратное увеличение, эквивалентно качеству, получаемому ИК-камерой с разрешением 320х240 точек, с дорогостоящей дополнительной линзой с углом обзора 12°. Если у вас возникнет необходимость в тестировании объектов на расстоянии более 20 футов, то необходимо сделать ценовой выбор между покупкой ИК-камеры с разрешением 320х240 точек с дополнительной оптикой и камеры с разрешением 640х480 точек, для получения изображений одинакового качества.
Разрешение 160х120 точек, 4-кратное увеличение
Разрешение 160х120 точек, 4-кратное увеличение.
Разрешение 320х240 точек, 4-кратное увеличение
Разрешение 320х240 точек, 4-кратное увеличение.
Разрешение 640х480 точек, 4-кратное увеличение
Разрешение 640х480 точек, 4-кратное увеличение.

Тепловая чувствительность.

Тепловая чувствительность пикселя является вторым по значимости параметром, влияющим на качество картинки. Из множества тестов, определяющих количественную характеристику этого параметра, наиболее значимый тест – оценка качества изображения при увеличении контрастности. Диапазон термочувствительности тепловизора изменяется, в зависимости от температуры объекта, так как при увеличении температуры растет уровень сигнала на выходе детектора. Это означает, что улучшается соотношение сигнал/шум при тестировании горячих объектов. Но это не всегда положительное качество, так как встречаются ситуации, в которых температура объекта невысокая и разность температур различных участков объекта небольшая. Типичным примером низкого дифференциала температур объекта служит обследование стен внутри здания. Небольшие различия в температуре фиксируются только за счет увеличение контрастности между исследуемой (в которой определяется температура) и контрольной (в которой температура известна) точками.
Термочувствительность датчиков инфракрасных камер лежит в диапазоне 0,05-0,25 К. Хотя чувствительность в четверть градуса довольно высокая, на низкоконтрастном изображении (температурная разность точек объекта невысокая) становятся заметными шумы.
Тепловизоры отображают тепловую картину объекта, используя 256-цветовую палитру либо 256 градаций серого. Представьте, что разность температуры объекта 0-256°C, и каждый оттенок отображает разницу в 1°C. Теперь применим этот же метод к объектам с температурным диапазоном 25-35°C. Теперь каждый оттенок отображает разность 0,03°C, что меньше реальной чувствительности неохлаждаемых камер. В результате на изображении возникают шумы и погрешности. В некоторых ситуациях необходимо установить как можно более узкий диапазон чувствительности, чтобы увидеть малейшую разницу температуры. Если вы используете прибор чувствительностью 0,25°C и требуется поддерживать такой же уровень шума, то устанавливается температурный диапазон не уже 65°C, при котором получается низкоконтрастная картинка. Вы должны усвоить, что различие между ИК-камерами с чувствительностью 50mK и 100mK составляет 100%, а не 0,05°C.
исходная термограмма

Разрешение 160х120, чувствительность 100 мК

Разрешение 160х120, чувствительность 100 мК. Чувствительность 100 мК подходит для случаев температурного диапазона более 10°C. При сужении диапазона качество изображения существенно падает.
Разрешение 320х240, чувствительность 70 мК
Разрешение 320х240, чувствительность 70 мК. Чувствительность 70 мК сужает диапазон по 5°C, при сохранении качества картинки.
Разрешение 640х480, чувствительность 50 мК
Разрешение 640х480, чувствительность 50 мК. При чувствительности 50 мК получается самое качественное изображение, соперничающее с качеством изображений, получаемых на охлаждаемых камерах.

Уровень шума (отношение сигнал/шум).

строение пикселя неохлаждаемой инфракрасной камеры

Основу строения пикселя неохлаждаемой инфракрасной камеры составляет микроскопический переход между тонкой пленкой резистивного материала и регистрирующим инфракрасное излучение слоем, расположенными на подложке. Выводы, выходящие с поверхностей перехода, подключены к кремниевой интегральной схеме и передают на нее электрические сигналы считывания. Считывание происходит последовательно с каждого пикселя по методу мультиплексирования и использует протокол IC.
Инфракрасное излучение, с длиной волн 8-14 микрон, попадающее на каждый пиксель, преобразуется в тепло, которое изменяет сопротивление тонкой резистивной пленки. Схема считывания последовательно снимает напряжение, пропорциональное количеству теплоты, с каждого «микро-болометра» и создает видеоизображение в режиме реального времени.

Электрическая схема инфракрасного датчика

Электрическая схема инфракрасного датчика довольно простая. На каждый пиксель подается напряжение смещения, а изменение сопротивления резистивной пленки, основанное на температуре пикселя, переводится в цифровое значение. Каждый аналоговый сигнал содержит некоторый уровень шума в смеси с сигналом, детектируемым датчиком. Отношение сигнал-шум оказывает сильное влияние на качество изображения, так как схема усиления увеличивает и полезный сигнал, и шумовую компоненту. В результате на изображении появляется «снег».

Отношение уровня сигнала к уровню шума тепловизора

Отношение уровня сигнала к уровню шума обычно определяется как эквивалентная разность температур. Как и в любой электрической схеме, шумы возникают практически во всех компонентах. Наибольшее значение, определяющее значение сигнал/шум, имеет уровень шума, поступающий с термочувствительных датчиков, так как в дальнейшем он усиливается пропорционально усилению полезного сигнала. Поэтому температурная чувствительность в большой степени влияет на качество получаемого термоизображения.

Также немаловажное значение имеет фокусное расстояние объектива камеры. Объективы с фокусным расстоянием 1,0 (равным диаметру объектива) считаются «быстрыми». Увеличение фокусного расстояния сказывается на качестве работы прибор. Например, оптическая система с F=1,4 уменьшает тепловую чувствительность в 2 раза, система с F=2,0 уменьшает термочувствительность и 4 раза. Поэтому чувствительность системы 50 мК будет равна 100 мК при использовании оптики с F=1,4, что приемлемо. Однако, при использовании «медленной» оптики (F>1), термочувствительность систем 100 мК падает до неприемлемых 200 мК.
Как вы поняли из вышесказанного, температурная чувствительность имеет очень сложную зависимость о многих факторов. Однако вы можете судить о качестве изображения, используя самый совершенный прибор в мире – ваши глаза, которые различают малейшие нюансы в визуальной картине.
Как было показано выше, термочувствительная матрица состоит из множества микроболометров, представляющих собой крошечные резисторы с множеством связей между ними. Каждый терморезистор реагирует на инфракрасное излучение с определенной погрешностью. Увеличение диапазона погрешностей связано с увеличением плотности пикселей и их термочувствительности. Для исправления этой погрешности используется процесс, носящий название «неравномерная калибровка» (NUC).
Во время изготовления, датчик тепловизора должен быть нормализован. Другими словами, при отсутствии сигнала уровень напряжения с каждого датчика матрицы должен иметь нулевое значение.
Неисправленное изображение
Неисправленное изображение.
Гистограмма неисправленного изображения
Гистограмма неисправленного изображения.
Исправленное изображение
Исправленное изображение.
Гистограмма скорректированного изображения
Гистограмма скорректированного изображения.

Выше приведены примеры нескорректированного и исправленного изображений, а также их гистограммы. Для корректировки используется специальный экран, который устанавливается перед термочувствительным датчиком. Этот экран периодически затемняет датчик и происходит программная коррекция показаний пикселя к нулю.
Рассмотрим 2 теста, на основании которых делается заключение о значении отношения полезный сигнал/шум.
Первый тест определяет наименьшую разность температуры объекта, эквивалентную внутренней шумовой характеристике детектора или общему уровню шума прибора. Как потенциальному покупателю тепловизора, вам необходимо знать результаты этого теста. Тестовая установка состоит из черного тела, обладающего контрольной температурой, и нескольких объектов, расположенных рядом с контрольным телом, для одновременного наблюдения их на экране инфракрасной камеры. Температура черного тела устанавливается как можно ближе к температуре объектов. К выходу детектора или видеовыходу тепловизора подключают осциллограф, на экране которого хорошо видно отношение зарегистрированной разницы температур к уровню шума. Оно определяется как отношение высоты полезного сигнала к высоте шума на экране осциллографа.
Следующий тест определяет минимальную регистрируемую разность температур. Это тест системы, а не датчика. Проверку проводят последовательным наблюдением картины каждого из трех эталонных объектов на экране ИК-камеры. Эталонный объект представляет собой белую пластину, с нанесенными на нее четырьмя полосками. Объекты различаются только цветом полосок. На первом объекте полоски черные (разность температур 0,25°C), на втором – серые (разность температур 0,05°C), на третьем нет полос  (разность температур 0°C).
В обоих тестах значение контрольной температуры равно 30°C.

Преимущества повышенного качества теплового изображения:

  1. Появляется возможность проводить проверку объектов, находящихся на более длинных расстояниях от оператора.
  2. Становится возможной более контрастная визуализация низкотемпературных объектов.
  3. Более понятная на интуитивном уровне диагностика проблем, связанных с тепловым излучением.
  4. Улучшение качества изображения, за счет согласования разрешения камеры в инфракрасной и видимой областях.
  5. Удобное подключение дополнительных (более легких и дешевых) оптических систем.
  6. Более понятное на интуитивном уровне выявление неисправностей, связанных с несоответствием температуры.
Метки материала: , ,

Похожие материалы:

bottom