Produktionstrend 2016/06, Abschnitt Technische Diagnose

"Präzise Temperaturmessung oder beeindruckende Visualisierung?"

BILDBEARBEITUNG BEI WÄRMEBILDKAMERAS (I.)

Was wird für eine genaue Thermografie benötigt, was versprechen die Hersteller/Vertreiber und was erhalten wir schließlich von ihnen?

Der Beginn unserer Serie ist auf die in den Ausgaben unseres Magazins des letzten Jahres veröffentlichten Artikel mit dem Titel Moderne Wärmebildkameras aus fachlicher Sicht zurückzuführen, insbesondere auf die Kapitel, die sich mit den Möglichkeiten zur Verbesserung von Bildern, die mit Wärmebildkameras aufgenommen wurden, befassen. Die erweiterte Version dieser Teile sowie deren Fortsetzung sind ab dieser Ausgabe auf den Seiten des Produktionstrends zu lesen. Der Grund, warum wir uns erneut mit dem Thema befassen, liegt zum Teil darin, dass seit dem letzten Überblick neue Methoden und Verfahren zur Bildverbesserung aufgetaucht sind. Ein weiterer wichtiger Antrieb für die Fortsetzung ist die bedauerliche Erfahrung, dass einige Marktteilnehmer scheinbar gleichwertige Technologien zu einem günstigen Preis anbieten, die jedoch nicht über korrekte Messverfahren verfügen. Für den Endbenutzer ohne entsprechendes Fachwissen bleibt jedoch verborgen, dass die Messfähigkeit der betreffenden Wärmebildkamera nicht einmal annähernd den Versprechungen entspricht. Weder ist die Pixelauflösung größer (nicht einmal so groß wie auf dem Datenblatt angegeben), noch ist das Wärmebild genauer oder schärfer. Anstelle korrekter Ergebnisse erhält man höchstens eine verschönerte grafische Darstellung, aber schlechtere Messdaten! Dadurch wird schnell etwas sehr teuer, was zuvor als günstig erschien. Die Bildqualität, genauer gesagt die Detailgenauigkeit der Messung mit einer Wärmebildkamera, wird neben der geometrischen Auflösung auch durch die Anzahl der erfassten Bildpunkte im Sichtfeld der Wärmebildkamera bestimmt. Der Grund dafür ist, dass zur visuellen Erkennbarkeit eine bestimmte minimale Anzahl von Bildpunkten auf bestimmte Teile des zu messenden Objekts fallen muss - genauso wie wir es von der digitalen Fotografie gewohnt sind. Es ist leicht verständlich, dass bei mehr Bildpunkten die Oberfläche des Objekts detaillierter oder eine größere Objektoberfläche mit derselben Detailgenauigkeit auf einem Wärmebild dargestellt werden kann. Wenn die Anzahl der Bildpunkte für die Erstellung eines qualitativ hochwertigen Wärmebilds zu gering ist, müssen viele Teilbilder des Objekts aufgenommen und möglicherweise die Bilder montiert werden, was eine sehr zeitaufwändige Aufgabe darstellt. Zunächst stellen wir zwei Softwareverfahren zur Erhöhung der Wärmebildpixelanzahl vor, die innerhalb des Sichtfelds der Wärmebildkamera durchgeführt werden, um dieses Problem zu lösen, das oft erwähnt wird, um dies zu vermeiden. Diese Verfahren sind durch die Erweiterung der in dem Messgerät und in der Datendatei gespeicherten Daten gekennzeichnet. Auflösungserhöhung durch Interpolation Aufgrund der relativ geringen Anzahl von Bildpunkten der Sensoren von Wärmebildkameras stoßen die Erstellung beeindruckender Wärmebilder (und damit auch von Berichten) - insbesondere bei Wärmebildkameras mit einer geringeren Anzahl von Pixeln in der Sensormatrix - auf große Schwierigkeiten. Zur Linderung dieses Problems wenden einige Hersteller von Wärmebildkameras die bei grafischen Bildverarbeitungsprogrammen übliche Interpolation an. Das Verfahren generiert einen weiteren, mathematisch interpolierten Bildpunkt zwischen jedem Pixelpaar des aufgenommenen Wärmebilds. Dadurch wird die Anzahl der Pixel im Wärmebild durch die doppelte horizontale und vertikale Verdopplung auf das Vierfache des ursprünglichen Werts erhöht. Dieses Verfahren führt jedoch zu einem Wärmebild, das zu 75 Prozent berechnet wird, also keine echten, gemessenen Bildpunkte enthält. Die Verbesserung des visuellen Erscheinungsbilds des Wärmebilds erfolgt also auf Kosten der Verfälschung der Daten des Wärmebilds. Die Anwendung dieses Verfahrens wird daher aus messtechnischer Sicht nicht empfohlen.

Die Angabe der Pixelauflösung von sogenannten "Low-Cost"-Wärmebildkameras einiger Unternehmen auf den Datenblättern lautet wie folgt oder mit dem Text "320×240 Pixel (mit Interpolation)" oder möglicherweise "320×240 Pixel (interpoliert)", was tatsächlich nur einen Detektor mit 160×120 Pixeln bedeutet. Die Datei dieses Detektors wird zu 75 Prozent mit falschen Daten interpoliert, um scheinbar mit den echten Wärmebildkameras mit einer Matrixdetektorauflösung von 320×240 Pixeln wettbewerbsfähig zu sein. Weder die tatsächliche Bildauflösung noch die geometrische Auflösung noch der Inhalt der Datei können mit einem Detektor mit letzterer Pixelanzahl verglichen werden. Es ist inakzeptabel, die Messdatei mit Interpolation zu füllen, da es unmöglich ist, nachträglich zu entscheiden, ob es sich um echte Messdaten oder eingefügte Werte handelt. Eine spätere korrekte Auswertung ist somit von vornherein ausgeschlossen. Die Situation wird anhand einer thermografischen Aufnahme eines Heizungsventilators veranschaulicht.

Auf der Abb. 3 links verursacht ein Pixelverlust und unzureichende geometrische Auflösung aufgrund fehlerhafter Messungen nur eine maximale Temperatur von 363 °C, obwohl die tatsächliche Temperatur über 425 °C liegt. Das rechts gezeigte, durch Interpolation erzeugte Wärmebild ist zwar 320×240 Pixel groß, aber weder die Interpolation noch die Erhöhung der Pixelanzahl verbesserte die Genauigkeit oder Korrektheit der Messung. Weder der Mangel an Messpixeln noch die Erhöhung der geometrischen Auflösung wurden durch die Interpolation verbessert. Der Beweis dafür ist, dass der angezeigte maximale Temperaturwert weiterhin nur 363 °C beträgt.

Auf der Abb. 4 links ist die Aufnahme desselben Heizdrahts mit einem 320×240 Pixel-Detektor zu sehen. Dank der größeren Pixelanzahl und der erhöhten geometrischen Auflösung unter gleichen optischen Bedingungen verbesserte sich nicht nur die visuelle Qualität, sondern auch die Genauigkeit des Messergebnisses. Dies wird durch den angezeigten Spitzenwert von 412 °C belegt, der bereits näher an der tatsächlichen maximalen Temperatur liegt. Das beste Bild wird mit einem 640×480 Pixel-Detektor erzielt, da bei dieser Pixelanzahl (unter gleichen optischen Parametern) die Anforderungen an die geometrische Auflösung erfüllt sind. Dank der korrekten Messung wird die maximale Temperatur von 425 °C angezeigt, und das visuelle Erscheinungsbild wird ebenfalls bewertbar.

Auflösungserhöhung durch Ausnutzung von Handzittern

Ein Sensorsystem besteht tatsächlich nicht aus nahtlos nebeneinander angeordneten einzelnen Sensoren, sondern um jeden Sensor herum befindet sich eine (fast halbpixelige) unempfindliche, nicht messende Lücke. Daher erfolgt auch die Erfassung des zu messenden Objekts nur "lückenhaft". Zur Beseitigung dieses Problems begann sich in den letzten Jahren anstelle der Interpolation ein anderes Verfahren zur Erhöhung der Software-Pixelauf-lösung zu verbreiten (z. B. unter den Namen Super Resolution oder UltraMax). Diese Verfahren basieren auf den geringfügigen horizontalen und vertikalen Verschiebungen des Sichtfeldes, die durch das Zittern oder die Bewegung der Hand des Benutzers beim Halten der Wärmebildkamera verursacht werden.

Die Methode ist recht einfach: Anstelle eines Wärmebildes werden (typischerweise) die Daten von 16 Wärmebildern gespeichert, und mit Hilfe der Software werden die vier Aufnahmen ausgewählt, die aufgrund des Handzitterns genau um einen halben Pixel horizontal und vertikal "passen". Anschließend werden die Wärmebilder pixelweise nebeneinander oder untereinander angeordnet. Mit dieser Methode werden auch Daten aus den leeren Räumen zwischen den ursprünglich zwei elementaren Sensoren (Pixeln) gewonnen. Die Anzahl der Pixel verdoppelt sich horizontal und vertikal - unser Wärmebild wird viermal höher aufgelöst sein als die ursprüngliche Detektormatrix. Darüber hinaus verbessert sich die geometrische Auflösung der Wärmebildkamera um genau 33 Prozent, da die Erfassung des (gleich großen) Sichtfeldes nun nahtlos ist. (In Werbebroschüren finden sich oft auch andere Zahlen, die jedoch fachlich nicht unterstützt werden können.)

Obwohl diese Methode recht einfach (und kostengünstig) ist, birgt sie auch viele Fallstricke. Bei einer auf einem Stativ montierten Wärmebildkamera ist sie überhaupt nicht anwendbar, und das Zittern der menschlichen Hand ist nur sehr selten ausreichend regelmäßig, damit die Software vier der gespeicherten 16 Wärmebilder findet, die auf die beschriebene Weise passen. (Denken Sie nur daran, dass der gesamte Vorgang fast eine halbe - eine Sekunde dauert. Wenn sich unsere Hand in diesem Zeitraum neigt oder kontinuierlich absinkt, werden die vier passenden Wärmebilder niemals gefunden.) Der Software-Auswahlalgorithmus ist auch in allen Fällen nicht in der Lage, Wärmebilder auszuwählen, in denen das Bild nicht genügend große und klare Kontraste aufweist (ausreichend steile Temperaturgradienten) oder wenn innerhalb des Sichtfelds eine Verschiebung auftritt.

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

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