Produktionstrend 2015/05, Technische Diagnoseabteilung

Moderne Wärmebildkameras aus fachlicher Sicht (IV)

Verfahren zur Erhöhung der Pixelauflösung des Wärmebildes

Neben der geometrischen Auflösung, also der Größe eines einzelnen "Bildpunkts" der Objektoberfläche, wird die Bildqualität, genauer gesagt die Detailgenauigkeit der Messung, durch die Anzahl der Pixel der Wärmebildkamera bestimmt.

Es ist leicht verständlich, dass bei mehr Pixeln die Objektoberfläche detaillierter dargestellt werden kann oder eine größere Objektoberfläche mit derselben Detailgenauigkeit auf einem einzigen Wärmebild dargestellt werden kann. Wenn die Anzahl der Pixel gering ist, müssen viele Aufnahmen gemacht werden, und für die Auswertung zusammenhängender Objekte sowie für die Erstellung von Berichten ist oft das Montieren von Bildern erforderlich, was eine sehr zeitaufwändige Arbeit ist.

Erhöhung der Auflösung durch Software

Interpolation Aufgrund der relativ geringen Anzahl von Pixeln bei Wärmebildkameras und den damit verbundenen Schwierigkeiten bei der Erstellung von eindrucksvollen Wärmebildern und Berichten - insbesondere bei Wärmebildkameras mit einer geringeren Pixelanzahl in der Sensormatrix - verwenden einige Hersteller von Wärmebildkameras zur Linderung des Problems die in grafischen Bildverarbeitungsprogrammen übliche Interpolation. Dieses Verfahren generiert zwischen jedem aufgenommenen Pixelpaar des Wärmebildes einen weiteren - mathematisch interpolierten - Pixel, wodurch die Anzahl der Pixel im Wärmebild durch Verdoppelung der horizontalen und vertikalen Richtung auf das Vierfache erhöht wird. Dieses Verfahren liefert jedoch ein Wärmebild, das zu 75 Prozent berechnet ist und somit keine realen, gemessenen Pixel enthält. Die Verbesserung des visuellen Erscheinungsbilds des Wärmebildes erfolgt daher auf Kosten der Verfälschung der Daten des Wärmebildes. Die Anwendung dieses Verfahrens wird daher nicht empfohlen.

Nutzung von Handzittern Ausgehend davon, dass eine Sensormatrix tatsächlich nicht aus nahtlos nebeneinander angeordneten individuellen Sensoren besteht, sondern um jeden Sensor herum eine fast halbe Pixelbreite große Lücke vorhanden ist (um thermische Durchdringung zu vermeiden und aufgrund der elektrischen Verdrahtung der individuellen Sensoren), erfolgt die Erfassung des zu messenden Objekts auch nur "lückenhaft". Anstelle der Interpolation begann sich in den letzten Jahren ein anderes Verfahren zur softwaregestützten Erhöhung der Pixelauflösung zu verbreiten, beispielsweise unter den Namen Super Resolution oder UltraMax. Diese Verfahren basieren auf den geringfügigen horizontalen und vertikalen Verschiebungen des Sichtfelds, die durch das Zittern oder die Bewegung der Hand des Benutzers verursacht werden.

Das Verfahren ist sehr einfach: Anstelle eines Wärmebildes (typischerweise) werden die Daten von 16 Wärmebildern gespeichert, und mithilfe der Software wählen wir die vier Aufnahmen aus, die aufgrund des Handzitterns genau um eine halbe Pixelbreite horizontal und vertikal "passen", und fügen die Wärmebilder pixelweise nebeneinander oder untereinander zusammen. Auf diese Weise wird die Anzahl der Pixel zwischen den ursprünglichen zwei elementaren Sensoren (Pixeln) verdoppelt - unser Wärmebild wird viermal höher aufgelöst sein als die ursprüngliche Detektormatrix. Darüber hinaus verbessert sich die geometrische Auflösung der Wärmebildkamera nun, da die Erfassung des Sichtfelds jetzt nahtlos ist (genau um 34 Prozent).

Es gibt jedoch auch Fallstricke!

Obwohl das letztere Verfahren so einfach (und kostengünstig) ist, birgt es auch viele Fallstricke. Bei einer auf einem Stativ montierten Wärmebildkamera ist es überhaupt nicht anwendbar, und das Zittern der Hand des Benutzers ist nur sehr selten ausreichend regelmäßig, damit die Software vier der gespeicherten 16 Wärmebilder findet, die auf die beschriebene Weise miteinander kombiniert werden können. (Denken Sie nur daran, dass der gesamte Vorgang etwa 0,2 - 0,4 Sekunden dauert: Wenn sich in dieser Zeit unsere Hand neigt oder kontinuierlich absinkt, wird es unmöglich sein, die vier kombinierbaren Wärmebilder zu erhalten.) Darüber hinaus ist der softwaregestützte Bildauswahlalgorithmus auch in solchen Fällen nicht in der Lage, Wärmebilder auszuwählen, wenn das Wärmebild nicht genügend große und scharfe Kontraste (ausreichend steile Temperaturgradienten) aufweist oder wenn eine Verschiebung innerhalb des Sichtfelds auftritt.

In den oben genannten Fällen wendet die Software - leider ohne jegliche Warnung - anstelle des Zusammenfügens der Wärmebilder zur Erreichung der gewünschten Pixelanzahl die in der Interpolation beschriebene Auflösungserhöhung an. Dadurch entstehen nicht vorhandene Pixelinformationen, und die "versprochene" Verbesserung der geometrischen Auflösung des Wärmebildes wird nicht erreicht. Aus messtechnischer Sicht wissen wir daher nie, welches unserer auf diese Weise erstellten Wärmebilder tatsächlich nur echte Pixel enthält und wann wir tatsächlich eine bessere geometrische Auflösung erwarten können. Die Anwendung dieses Verfahrens wird daher nicht empfohlen.

Hardwarebasierte Auflösungserhöhung mit Microscan

Die vierfache Pixelanzahl der Sensor-Matrix in Matrix-Wärmebildkameras kann nur zuverlässig hardwareseitig erreicht werden. Hierzu ändern wir durch Mikrobewegungen des Sensors oder durch optische Ablenkung der einfallenden Strahlung (innerhalb der Wärmebildkamera!) die Position des Strahlenbündels, das auf die Sensor-Matrix projiziert wird, horizontal und vertikal nacheinander. Dadurch wird auch die Strahlung zwischen den ursprünglich leeren Stellen zwischen jeweils zwei elementaren Sensoren (Bildpunkten) erfasst, was die Bildgebung ermöglicht, während die geometrische Auflösung der Wärmebildkamera in jedem Fall um 34 Prozent, also ohne Ausnahme, zunimmt. Da diese Methode nicht von unserem Zittern ausgeht, kann sie natürlich auch bei einer auf einem Stativ montierten Wärmebildkamera angewendet werden.

Abbildung 1: Matrix-Detektor und Mikro-Scan-Pixelauflösung [Quelle: PIM] * 4 aufeinanderfolgende Wärmebilder zur Erstellung eines 4-fach aufgelösten Wärmebildes

Obwohl das Mikro-Scan-Verfahren nicht gerade schnell ist (0,5–1 s für die Erstellung eines hochauflösenden Wärmebildes), ist es derzeit die einzige Methode, um echte pixelgenaue extra große Wärmebilder mit maximaler geometrischer Auflösung zu erstellen. Beispiele für Wärmebildkameras mit dieser Fähigkeit sind die Jenoptik VarioCAM-Gerätefamilie, die mit der Bezeichnung Resolution Enhancement diese optionale Funktion anbieten. Mit den Wärmebildkameras VarioCAM hr mit einem 640×480 Pixel-Detektor können im Mikro-Scan-Modus 1,23 Millionen Pixel und mit den Geräten VarioCAM HD mit einem 1024×768 Pixel-Detektor 3,15 Millionen Pixel – ausschließlich echte Messdaten enthaltende – Wärmebilder erstellt werden. Dies ermöglicht es, äußerst detaillierte Messungen auch von sehr großen Oberflächen durchzuführen, ohne jegliche nachträgliche Montage.

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

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