Чинники, що впливають на якість зображення тепловізора

< /p>

Не викликає сумнівів, що ви вже давно замінили стару плівкову камеру на нову цифрову. І, цілком імовірно, що при виборі цифрової камери ви судили про якість зображення за таким параметром, як кількість пікселів термочутливої ​​матриці. Однак, якщо ви читаєте відгуки покупців про оцінку роботи камер, то повинні розуміти, що їхня якість більшою мірою залежить від інших параметрів. Оскільки принцип дії інфрачервоної камери заснований на перетворенні температурної картини у візуальну, то для оцінки якості зображення, що отримується, вам достатньо знання наступних параметрів: дозвіл одержуваного зображення, температурна чутливість матриці і рівень шуму. Досить часто в інформаційних посібниках з ІЧ-камерам наводять безліч різних параметрів, які вам, як користувачеві, не принесуть жодної користі і взагалі незрозумілі. У запропонованій статті ми намагатимемося пояснити вам, виходячи з яких параметрів визначається якість зображення, а також залежність якості зображення від значень параметрів. Ми докладно розберемо всі три параметри, що безпосередньо впливають на якість теплового зображення та обговоримо питання, що виникають.

Дозвіл ІЧ-камери.

Перший параметр – роздільна здатність отриманого термочутливого зображення. На сьогоднішній день існує три прийняті стандарти роздільної здатності зображень (можуть відрізнятися у різних виробників):

1. Низька роздільна здатність – до 19600 пікселів (160х120 пікселів).
2. Середня роздільна здатність – до 76800 пікселів (320х240 пікселів).
3. Висока роздільна здатність – до 307200 пікселів (640х480 пікселів).

Потрібна вам роздільна здатність визначається, в першу чергу, використовуваним додатком для обробки зображення та рівнем якості, що встановлюється вами вручну в установках. При оцінці якості зображення камер з матрицями розміром 5 мегапікселів і 10 мегапікселів, більшість користувачів не помітять жодної різниці, оскільки надрукувати зображення з таким дозволом досить проблематично. У тому випадку, якщо ви збираєтеся завжди роздруковувати та демонструвати повну роздільну здатність, одержувану тепловізором, то вам достатньо використовувати прилад з більш скромними параметрами. Навіть при роздільній здатності 640х480 пікселів, отримуване теплове зображення займатиме лише частину дисплея сучасного комп'ютера і при виведенні на друк необхідну якість буде реалізовано повною мірою. Тому при оцінці якості зображень, одержуваних за допомогою інфрачервоних камер – число пікселів матриці є важливим параметром, але найбільш значущим є рівень роздільної здатності зображення.

Роздільна здатність 160х120 пікселів.

Роздільна здатність 320х240 пікселів.

Роздільна здатність 640х480 пікселів.

Ще однією перевагою високої роздільної здатності є можливість масштабування зйомки без втрати якості зображення. Основна частина тепловізорів оснащена стандартною оптичною системою із горизонтальним кутом огляду близько 25°. Незалежно від числа пікселів, якість зображення приладу з роздільною здатністю 640х480 пікселів, встановленого на дворазове збільшення, еквівалентно якості, одержуваному ІЧ-камерою з роздільною здатністю 320х240 пікселів, з дорогою додатковою лінзою з кутом огляду 12°. Якщо у вас виникне необхідність у тестуванні об'єктів на відстані більше 20 футів, то необхідно зробити ціновий вибір між покупкою ІЧ-камери з роздільною здатністю 320х240 пікселів з додатковою оптикою та камери з роздільною здатністю 640х480 пікселів, для отримання зображень однакової якості.

Роздільна здатність 160х120 пікселів, 4-кратне збільшення.

Роздільна здатність 320х240 пікселів, 4-кратне збільшення.

Роздільна здатність 640х480 пікселів, 4-кратне збільшення.

Теплова чутливість.

Теплова чутливість пікселя є другим за значимістю параметром, що впливає якість картинки. З множини тестів, що визначають кількісну характеристику цього параметра, найбільш значущий тест – оцінка якості зображення зі збільшенням контрастності. Діапазон термочутливості тепловізора змінюється, залежно від температури об'єкта, оскільки зі збільшенням температури зростає рівень сигналу на виході детектора. Це означає, що покращується співвідношення сигнал/шум під час тестування гарячих об'єктів. Але це не завжди позитивна якість, тому що зустрічаються ситуації, в яких температура об'єкта невисока і різниця температур різних ділянок об'єкта невелика. Типовим прикладом низького диференціалу температур об'єкта є обстеження стін усередині будівлі. Невеликі відмінності в температурі фіксуються лише за рахунок збільшення контрастності між досліджуваною (у якій визначається температура) та контрольною (у якій температура відома) точками.
Термочутливість датчиків інфрачервоних камер лежить у діапазоні 0,05-0,25 К. Хоча чутливість у чверть градуса досить висока, на низькоконтрастному зображенні (температурна різниця точок об'єкта невисока) стають помітними шуми.
Тепловізори відображають теплову картину об'єкта, використовуючи 256-колірну гамму або 256 градацій сірого. Уявіть, що різниця температури об'єкта 0-256°C, і кожен відтінок відображає різницю в 1°C. Тепер застосуємо цей метод до об'єктів з температурним діапазоном 25-35°C. Тепер кожен відтінок відображає різницю 0,03°C, що менше реальної чутливості камер, що не охолоджуються. В результаті на зображенні виникають шуми та похибки. У деяких ситуаціях необхідно встановити якомога вужчий діапазон чутливості, щоб побачити найменшу різницю температури. Якщо ви використовуєте прилад чутливістю 0,25 ° C і потрібно підтримувати такий же рівень шуму, то встановлюється температурний діапазон не вже 65 ° C, при якому виходить низькоконтрастна картинка. Ви повинні засвоїти, що різницю між ІЧ-камерами з чутливістю 50mK і 100mK становить 100%, а не 0,05°C.

Роздільна здатність 160х120, чутливість 100 мК. Чутливість 100 мК підходить для температурного діапазону більше 10°C. При звуженні діапазону якість зображення суттєво падає.

Роздільна здатність 320х240, чутливість 70 мК. Чутливість 70 мК звужує діапазон 5°C, при збереженні якості картинки.

Роздільна здатність 640х480, чутливість 50 мК. При чутливості 50 мК виходить якісне зображення, що суперничає з якістю зображень, одержуваних на камерах, що охолоджуються.

Рівень шуму (відношення сигнал/шум).

Основу будови пікселя неохолоджуваної інфрачервоної камери становить мікроскопічний перехід між тонкою плівкою резистивного матеріалу і шаром, що реєструє інфрачервоне випромінювання, розташованими на підкладці. Висновки, що виходять з поверхонь переходу, підключені до інтегральної кремнієвої схеми і передають на неї електричні сигнали зчитування. Зчитування відбувається послідовно з кожного пікселя за методом мультиплексування та використовує протокол IC.
Інфрачервоне випромінювання, з довжиною хвиль 8-14 мікрон, що потрапляє на кожен піксель, перетворюється на тепло, яке змінює опір тонкої резистивної плівки. Схема зчитування послідовно знімає напругу, пропорційну кількості теплоти, з кожного «мікро-болометра» і створює відео в режимі реального часу.

Електрична схема інфрачервоного датчика є досить простою. На кожен піксель подається напруга усунення, а зміна опору резистивної плівки, заснований на температурі пікселя, перетворюється на цифрове значення. Кожен аналоговий сигнал містить деякий рівень шуму в суміші з сигналом, що детектується датчиком. Відношення сигнал-шум сильно впливає на якість зображення, так як схема посилення збільшує і корисний сигнал, і шумову компоненту. В результаті на зображенні з'являється "сніг".

Ставлення рівня сигналу до рівня шуму зазвичай визначається як еквівалентна різниця температур. Як і в будь-якій електричній схемі шуми виникають практично у всіх компонентах. Найбільше значення, що визначає значення сигнал/шум, має рівень шуму, що надходить з термочутливих датчиків, так як надалі він посилюється пропорційно до посилення корисного сигналу. Тому температурна чутливість великою мірою впливає на якість одержуваного термозображення.

Також важливе значення має фокусна відстань об'єктива камери. Об'єктиви з фокусною відстанню 1,0 (рівним діаметру об'єктива) вважаються «швидкими». Збільшення фокусної відстані позначається як роботи прилад. Наприклад, оптична система з F=1,4 зменшує теплову чутливість у 2 рази, система з F=2,0 зменшує термочутливість та 4 рази. Тому чутливість системи 50 мК дорівнюватиме 100 мК при використанні оптики з F=1,4, що прийнятно. Однак, при використанні «повільної» оптики (F>1), термочутливість систем 100 мК падає до неприйнятних 200 мК.
Як ви зрозуміли з вищесказаного, температурна чутливість має дуже складну залежність щодо багатьох факторів. Однак ви можете судити про якість зображення, використовуючи найдосконаліший прилад у світі – ваші очі, які розрізняють найменші нюанси візуальної картини.
Як було показано вище, термочутлива матриця складається з безлічі мікроболометрів, що є крихітними резистори з безліччю зв'язків між ними. Кожен терморезистор реагує на інфрачервоне випромінювання із певною похибкою. Збільшення діапазону похибок пов'язане зі збільшенням щільності пікселів та їхньої термочутливості. Для виправлення цієї похибки використовується процес, що має назву «нерівномірне калібрування» (NUC).
Під час виготовлення датчик тепловізора повинен бути нормалізований. Іншими словами, за відсутності сигналу рівень напруги кожного датчика матриці повинен мати нульове значення.

Невиправлене зображення.

Гістограма невиправленого зображення.

Виправлене зображення.

Гістограма скоригованого зображення.

Вище наведено приклади некоригованого та виправленого зображень, а також їх гістограми. Для коригування використовується спеціальний екран, який встановлюється перед термочутливим датчиком. Цей екран періодично затемняє датчик та відбувається програмна корекція показань пікселя до нуля.
Розглянемо 2 тести, на підставі яких робиться висновок про значення відношення корисний сигнал/шум.
Перший тест визначає найменшу різницю температури об'єкта, еквівалентну внутрішній шумовій характеристиці детектора або загальний рівень шуму приладу. Як потенційного покупця тепловізора, вам необхідно знати результати цього тесту. Тестова установка складається з чорного тіла, що має контрольну температуру, і декількох об'єктів, розташованих поруч із контрольним тілом, для одночасного спостереження їх на екрані інфрачервоної камери. Температура чорного тіла встановлюється якомога ближче до температури об'єктів. До виходу детектора або відеовиходу тепловізора підключають осцилограф, екран якого добре видно відношення зареєстрованої різниці температур до рівня шуму. Воно визначається як відношення висоти корисного сигналу до висот шуму на екрані осцилографа.
Наступний тест визначає мінімальну реєстровану різницю температур. Це тест системи, а чи не датчика. Перевірку проводять послідовним спостереженням картини кожного із трьох еталонних об'єктів на екрані ІЧ-камери. Еталонний об'єкт є білою пластиною, з нанесеними на неї чотирма смужками. Об'єкти відрізняються лише кольором смужок. На першому об'єкті смужки чорні (різниця температур 0,25 ° C), на другому - сірі (різниця температур 0,05 ° C), на третьому немає смуг (різниця температур 0 ° C).
В обох тестах значення контрольної температури дорівнює 30 ° C.

Переваги підвищеної якості теплового зображення:

1. З'являється можливість проводити перевірку об'єктів, що знаходяться на довших відстанях від оператора.
2. Стає можливою більш контрастна візуалізація низькотемпературних об'єктів.
3. Зрозуміліша на інтуїтивному рівні діагностика проблем, пов'язаних з тепловим випромінюванням.
4. Покращення якості зображення за рахунок узгодження роздільної здатності камери в інфрачервоній та видимій областях.
5. Зручне підключення додаткових (легших та дешевших) оптичних систем.
6. Зрозуміліше на інтуїтивному рівні виявлення несправностей, пов'язаних з невідповідністю температури.