GyártásTrend 2016/06, Műszaki diagnosztika rovat

"Pontos hőmérsékletmérés vagy látványos megjelenítés?"

KÉPJAVÍTÁS HŐKAMERÁKNÁL (I.)

Egzakt termográfiai méréshez mire van szükségünk, mit ígérnek a gyártók/forgalmazók, és végül mit kapunk tőlük?

Most induló sorozatunk előzménye magazinunk tavalyi lapszámaiban Korszerű hőkamerák szakmai szemmel  címmel folytatásokban közreadott írásunk, ennek is főképpen a hőkamerákkal kapott képek feljavításának lehetőségeivel foglalkozó fejezetei. Ezen részek bővített változata, illetve folytatása olvasható a GyártásTrend oldalain ettől a lapszámtól kezdve. Annak oka, hogy újra foglalkozunk a témával, részben az, hogy a korábbi áttekintés óta újabb módszerek, eljárások jelentek meg a képjavítás vonatkozásában. De egy másik indíttatás is fontos szerepet játszik a folytatásban: az a sajnálatos tapasztalat, hogy egyes piaci szereplők kedvező áron korrekt mérési eljárásokkal csak látszólag azonos képességű technológiákat kínálnak. A megfelelő ismertekkel nem rendelkező végfelhasználó előtt viszont rejtve marad, hogy az adott hőkamera mérési képessége meg sem közelíti az ígéreteket. Vagyis se nem nagyobb a pixelfelbontás (még annyi sem, mint az adatlapon szerepel), se nem pontosabb vagy élesebb a hőkép. Korrekt eredmény helyett legfeljebb szépített grafikai megjelenítést, de rosszabb mérési adatokat kap! Így gyorsan igen drágává válik, ami olcsóbbnak látszott. A hőkamerával elérhető képminőséget, pontosabban a mérés részletességét a geometriai felbontáson túl a hőkamera látómezejében érzékelt képpontok száma határozza meg. Ennek oka, hogy a grafikai (vizuális) felismerhetőség érdekében egy bizonyos minimális számú képpontnak kell a mérendő tárgy egyes részeire esnie – ugyanúgy, ahogyan ezt a digitális fényképezés esetén megszoktuk. Könnyen érthető, hogy több képpont esetén a tárgyfelületet nagyobb részletességgel, illetve nagyobb tárgyfelületet ugyanolyan részletességgel jeleníthetünk meg egy hőképen. Ha az elvárt minőségű hőkép elkészítéséhez kevés a képpontok száma, akkor a tárgyról sok részfelvételt kell készíteni, és szükségessé válhat a képek montírozása, ami igen időigényes feladat. Elsőként ennek a kiküszöbölésére gyakorta emlegetett, a hőkamera-látómezőn belül végzett két szoftveres hőképpixelszám-növelő eljárást mutatunk be, amelyeket egyaránt jellemez a mérőeszközben, az adatfájlban tárolt adatok felbővítése. Felbontásnövelés interpolációval A hőkamerák érzékelőinek viszonylag kis képpontszáma miatt látványos hőképek (és ezáltal jegyzőkönyvek) készítése – főleg a kisebb pixelszámú érzékelőmátrixszal rendelkező hőkamerák esetén – nagy nehézségekbe ütközik. A probléma enyhítésére a grafikai képfeldolgozó programoknál megszokott interpolációt alkalmaz néhány hőkameragyártó. Az eljárás a felvett hőkép egy-egy pixelpárja közé még egy újabb – matematikailag interpolált – képpontot generál. Ezzel növeli meg a hőkép pixelszámát az eredeti érték négyszeresére a vízszintes és függőleges megduplázás következtében. Azonban ez az eljárás olyan hőképet eredményez, amely 75 százalékban számított, tehát nem valós, nem mért képpontot tartalmaz. A hőkép vizuális látványának javítása tehát a hőkép adattartalmának meghamisítása árán jön létre. Az eljárás alkalmazása ezért méréstechnikai szempontok alapján nem javasolt.

Néhány cég profinak nevezett, de valójában csak „low cost” szintű hőkameráinak adatlapján szereplő hőkép-pixelfelbontás megadása a következő formában, illetve szöveggel „320×240 pixel (interpolációval)” vagy esetleg „320×240 pixel (interpolált)” valójában csak egy 160×120 pixeles detektort jelent. Ennek adatfájlját interpolációval 75 százalékban hamis adattal töltik fel, hogy látszólag versenyképesek legyenek a valós 320×240 pixeles mátrixdetektort tartalmazó hőkamerákkal. Közben sem a valódi képfelbontás, sem a geometriai felbontás, de az adatfájl tartalma sem mérhető össze egy utóbbi képpontos detektoros hőkameráéval. Megengedhetetlen a mérési fájlt interpolációval feltölteni, ugyanis sehogy sem lehet utólag eldönteni, hogy valós mérési adatról, vagy beillesztett értékről van-e szó. Akkor pedig a későbbi korrekt kiértékelés eleve kizárt. A helyzetet egy fűtőventilátor termográfiai felvételen illusztráljuk.

A 3. ábrán balra látható pixelhiány és elégtelen geometriai felbontás okozta téves mérés miatt csak 363 °C maximális hőmérséklet kerül kijelzésre, holott a valódi hőmérséklet meghaladja a 425 °C-ot. A jobbra látható, interpolációval előállított hőkép ugyan 320×240 pixel méretű, de a pixelszámnövelés révén „feljavított” látványán túl pontosabb vagy korrektebb mérés nem állt elő. Sem a mérési pixelek hiányán nem javított az interpoláció, sem a geometriai felbontást nem növelte. Ennek bizonyítéka, hogy a kijelzett maximális hőmérsékletérték továbbra is csupán 363 °C.

A 4. ábrán balra látható ugyanannak a fűtőszálnak a felvétele 320×240 pixeles detektorral. A nagyobb pixelszámnak és az azonos optikai feltételek mellett megnőtt geometriai felbontásnak köszönhetően nemcsak javult a vizuális megjelenés minősége, hanem pontosabb is lett a mérési eredmény. Ezt alátámasztja, hogy a kijelzett 412 °C csúcsérték már jobban közelíti a valódi maximális hőmérsékletet. A legjobb felvételt a 640×480 képpontos detektorral érjük el, mivel e képpontszámmal (még mindig azonos optikai paraméterek mellett) teljesül a geometriai felbontásra vonatkozó mérési követelmény. A korrekt mérésnek köszönhetően kijelzésre került a 425 °C-os maximum, és a vizuális látvány is értékelhetővé vált.

Felbontásnövelés a kézremegés kihasználásával

Egy érzékelőmátrix valójában nem hézagmentesen egymás mellett elhelyezett egyedi érzékelőkből áll, hanem minden érzékelő körül még egy (majdnem félpixeles) érzéketlen, mérést nem végző hézag van. Ezért a mérendő tárgy érzékelése is csak „hézagosan” történik. Kiküszöbölése érdekében az interpoláció helyett egy másik, szoftveres hőkép-pixelfelbontást növelő eljárás kezdett elterjedni az elmúlt években (például Super Resolution vagy UltraMax néven). Ezek az eljárások a hőkamerát tartó ember kezének remegése, illetve bemozdulása során bekövetkező kis mértékű, vízszintes és függőleges látómező-eltolódásból indulnak ki.

A módszer elég egyszerű: egy hőkép helyett (tipikusan) 16 hőkép adatait tároljuk, majd a szoftver segítségével kiválasztjuk közülük azt a négy felvételt, amelyek a kézremegés hatására pont egy-egy félpixeles vízszintes és függőleges eltolással „illeszkednek” egymáshoz. Ezután pixelenként egymás mellé, illetve alá helyezve összeillesztjük a hőképeket. Ezzel a módszerrel az eredetileg két-két elemi érzékelő (képpont) közötti üres helyről is származik adat. A képpontok száma vízszintesen és függőlegesen is megduplázódik – a hőképünk az eredeti detektormátrix pixelszámához képest négyszeres felbontású lesz. Sőt, mivel a (megegyező méretű) látómező érzékelése most már hézagmentes, a hőkamera geometriai felbontása is javul, pontosan 33 százalékkal. (Reklámkiadványokban gyakran más számok is megtalálhatók, de ezek szakmailag nem támaszthatók alá.)

Amennyire egyszerű (és olcsó) ez a módszer, annyi buktatóval is jár. Állványra szerelt hőkamera esetén egyáltalán nem használható, de az ember kezének remegése is csak nagyon ritkán kellőképpen szabályos ahhoz, hogy a szoftver megtaláljon az eltárolt 16 hőkép között négy olyat, amely az előbb leírt módon egymásra illeszthető. (Gondoljunk csak arra, hogy az egész eljárás időigénye közel fél - egy másodperc. Ha ez idő alatt szögben elbillen vagy folyamatosan süllyed a kezünk, sehogy sem lesz meg a négy összeilleszthető hőkép.) A szoftveres képkiválasztó algoritmus továbbá minden olyan esetben is képtelen a hőképek kiválasztására, amelyben a hőkép nem tartalmaz elegendően nagy és éles kontrasztokat (megfelelően meredek hőmérséklet-gradienseket), vagy ha a látómezőn belül valamelyik részen elmozdulás következik be.

Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, termokamera.hu

Kapcsolatfelvétel

A publikáció tartalmát szerzői jogok védik, ennek (akár csak részben történő) felhasználása, elektronikus vagy nyomtatott tovább-publikálása csak a forrás és a szerző nevének feltüntetése mellett, valamint a szerző előzetes írásos engedélyének megléte esetén megengedett. A szerzői jogok (Copyright) megsértése jogi következményekkel jár.