Testo SuperResolution - инновационная технология для создания термограмм

Testo SuperResolution - инновационная технология для создания термограмм высокого разрешения.

В разных секторах промышленности очень часто возникает необходимость в проведении тепловизионной съемки мельчайших компонентов или объектов, расположенных на значительном удалении. В таких случаях качество представленных на термограмме объектов напрямую зависит от разрешения изображения и количества доступных температурных значений. Технология Testo SuperResolution улучшает имеющееся пространственное разрешение тепловых снимков в 1,6 раза, позволяя тем самым получить в 4 раза больше показаний, что сравнимо с результатами, полученными с помощью детектора более высокого класса. При создании термограмм качества SuperResolution, анализ и обзор которых может быть выполнен на ПК с помощью специального аналитического программного обеспечения, используется комбинация 2-х технологий – метод супервыборки (super-sampling) и метод обратной свёртки или деконволюции (deconvolution). Посредством сложного алгоритма данные технологии оптимально сочетаются в тепловизорах фирмы Testo. Технология SuperResolution использует за основу реальные температурные показания – без необходимости в детекторе высшего разрешения. Принцип действия технологии продемонстрирован в удобной и доступной для визуализации форме – посредством щелевой диафрагмы.

Введение

Специалисты которые используют тепловизионный метод диагностики в таких областях, как строительство, техническое и сервисное обслуживание на производстве, электротехника, исследования и разработки, и пр., регулярно сталкиваются с аналогичными трудностями, связанными с большой необходимостью в обследовании мельчайших компонентов и объектов, расположенных на значительном расстоянии. Доступные на сегодняшнем рынке детекторы, используемые в конструкциях тепловизоров, накладывают определенные ограничения на разрешение снимков (тепловых). Технология Testo SuperResolution открывает новые возможности в области создания качественных термограмм. Термограммы SuperResolution отличаются более высоким разрешением: количество температурных точек увеличивается в 4 раза, а пространственное разрешение - в 1,6 раза, что означает – более детализованные снимки, более надежные результаты измерений.

Технология SuperResolution использует естественные движения рук для быстрого создания серии снимков. Отдельные термограммы, созданные в четкой последовательности, а также наличие достоверных данных о характеристиках объектива, позволяют использовать специальный алгоритм для создания изображения, отличающегося значительно более лучшим разрешением. Необходимо обратить внимание на то, что технология SuperResolution задействует для создания снимков реальные температурные значения, при этом результаты можно сравнить со снимками, полученными при использовании детектора более высокого класса. Здесь речь не идет о процессе интерполяции.

Технические сложности создания инфракрасных снимков

В отличие от цифровых камер инфракрасные детекторы обладают низким разрешением. Такая ситуация обусловлена как техническими факторами, так и физическими, в силу которых пользователь может столкнуться с рядом трудностей – в частности, при измерениях на компонентах очень малых размеров. Зачастую размеры объектов измерения не достигают и одного пикселя. В худших случаях объект измерения представляет собой лишь малую часть полного объёма измеренного инфракрасного излучения, а это означает, что указанный объект может "затеряться" на общем фоне, и распознать его будет невозможно. Даже при диагностике объектов достаточно крупных размеров существует риск влияния «фона», т.е. полученное значение температуры будет находиться в пределах между значениями температур объекта и окружающей среды. Поэтому, в процессе измерений чаще всего представляется возможным зарегистрировать лишь искажённое значение. Данная проблема очень актуальна в области микроэлектроники, где требуются термограммы с максимально высоким разрешением. С аналогичными трудностями можно также столкнуться в области строительной термографии, где объекты зачастую находятся на расстоянии нескольких метров, как например, в случае со скатами крыш или верхними этажами.

Технология SuperResolution – оптимальное решение для создания термограмм высокого разрешения

Технология Testo SuperResolution компании Testo позволяет визуализировать большее количество фактических температурных значений без использования детектора более высокой производительности, что, в свою очередь, позволяет получать корректные результаты при измерениях температуры малых объектов. Мы не говорим о простом интерполяционном процессе, какими являются бикубическая или билинейная интерполяции, при которых создаются искусственные промежуточные значения без использования дополнительных сведений. Такие искусственно сгенерированные значения не могут превышать «соседние» значения, что неприемлемо при измерениях температуры малых объектов, в частности – при обнаружении горячих точек . В отличие от вышеописанных процессов технология SuperResolution направлена на повышение разрешения и степени детализации. Есть возможность воссоздания изначальных характеристик сигнала (см. Рис. 1).

Рис. 1: Чёрная кривая – это исходный сигнал. Белые столбики – это исходные значения пикселей. Серые столбики слева – это искусственно сгенерированные значения интерполяции; с их помощью невозможно воссоздать исходный сигнал. Оранжевые столбики справа – это значения, полученные посредством технологии SuperResolution; они могут быть использованы для воссоздания исходного сигнала.

Таким образом, впроизводится расчёт реальных показаний, а результат можно сравнить с изображением, созданным посредством тепловизора с детектором более высокого класса. Пространственное разрешение термограммы SuperResolution значительно повышается. На практике это означает, что "наименьший измеряемый объект" может быть еще более миниатюрным, при этом расстояние между пользователем тепловизора и объектом измерения остается неизменным. Это означает, что специалисту, проводящему тепловизионную съемку, не нужно приближаться к объекту измерения; при этом он может получить доступ к обзору большего количества деталей при анализе термограммы на ПК (см. Рис. 2 и 3).

Рис. 2: Изображение слева – термограмма с разрешением 320 x 240 пикселей. Изображение справа – термограмма SuperResolution с разрешением 320 x 240 пикселей (соответствует разрешению 640 x 480 пикселей).

Технология SuperResolution обеспечивает следующие преимущества:

• Возможность получения в 4 раза больше температурных значений
• Возможность измерения температуры объектов размером в 1,6 раза меньше (IFOVmeas)
• Пространственное разрешение (IFOVgeo) термограммы повышается в 1,6 раза
• Доступ к большему количеству деталей при анализе полученных термограмм на ПК, и, как следствие, в качественном и количественном отношении большие возможности при проведении анализа и составлении отчетов о результатах тепловизионной съемки.

Запатентованная технология SuperResolution, созданная специалистами компании Testo, сочетает в себе два широко распространенных метода:

• Метод деконволюции
• Метод супервыборки

Метод супервыборки подразумевает создание серии последовательных снимков, которые затем – посредством соответствующих расчётов – используются для создания термограммы более высокого разрешения. Данный процесс задействует естественный тремор человеческой руки (от лат. "tremere" = "дрожать"), который приводит к небольшим движениям при создании серии снимков. Таким образом создается серия незначительно смещенных (во временном и пространственном отношении) последовательных снимков. Специальный алгоритм «использует» дополнительные сведения и показания для создания теплового снимка объекта с более высоким разрешением.

Процесс деконволюции направлен на улучшение качества изображения через использование подробных сведений об оптике тепловизора. Для этого, на основе оптических характеристик объектива выполняется математический расчёт термограммы.

Физические принципы технологии SuperResolution

Метод «супервыборки»

Болометрические детекторы, используемые в тепловизорах, состоят из расположенных в виде матрицы отдельных пикселей, поглощающих излучение и преобразующих его в поддающиеся оценке электрические сигналы. В целях обеспечения термоизоляции пиксельная матрица помещается в вакуумный корпус. В свою очередь, каждый пиксель состоит из тонкой болометрической мембраны, прикрепленной через тонкие выводы к подложке. Между пикселями существуют небольшие зазоры, также обеспечивающие надлежащую тепловую изоляцию. Термоизоляция способствует предотвращению перекрёстных «помех», вызванных передачей тепла от одного пикселя к другому. Однако наряду с обеспечением теплоизоляции зазоры представляют своего рода "пробелы" между отдельными пикселями – данные участки не способны воспринимать инфракрасные волны. Кроме того, далеко не вся область пикселя чувствительна к излучению. Поглощение инфракрасных волн осуществляется только внутренним участком пиксельной мембраны. Поэтому между пикселями создаются "слепые зоны", не регистрирующие инфракрасное излучение. При измерениях температуры объектов очень малых размеров существует риск попадания сигнала непосредственно в "слепую зону", что может привести к «потере» сигнала. Принцип метода супервыборки решает данную проблему путём смещения всей матрицы детектора во всех направлениях на расстояние, составляющее половину ширины пикселя, что позволяет создать из серии последовательных снимков цельную термограмму. Как результат, «слепые зоны» между пикселями «заполняются» дополнительной информацией, а рабочая частота детектора повышается.

Метод деконволюции

Визуализация объекта описывается математически через интеграл свёртки излучения объекта с пропускной способностью тепловизора. Деконволюция представляет собой обратное от сложения двух функций. Речь идёт о математическом алгоритме, в котором используются исключительно данные результата свёртки, в данном случае – выходной сигнал и пропускную способность, определяющую входной сигнал. В рассматриваемом случае это означает, что посредством сведений о выходном сигнале болометра и оптических характеристик объектива воссоздается входной сигнал, а именно – фактическое излучение объекта измерения. В результате получаем в значительной степени очень четкую термограмму. Хочется отметить, метод деконволюции также работает без «супервыборки», т.е. получение термограмм высокого разрешения возможно без использования эффекта тремора рук с последующим преобразованием серии снимков в один тепловой снимок высокого качества.

SuperResolution: 2 в 1 - «супервыборка» + деконволюции

SuperResolution – это технологическое сочетание методов «супервыборки» и деконволюции посредством специального алгоритма, результатом которого является возможность получения термограмм с улучшенным пространственным разрешением. Технология SuperResolution необходима для получения термограмм, отличающихся высоким разрешением и большим количеством деталей. С помощью специального программного обеспечения пользователь может просмотреть и проанализировать созданные термограммы на ПК. Технология SuperResolution – это возможность точного измерения температур мельчайших компонентов и объектов на расстоянии без необходимости в использовании детектора более высокого класса.

Технология SuperResolution: результаты испытаний

В термографии есть ряд факторов, играющих важную роль в отношении обеспечения качества термограмм. Основными наиболее важными из них являются пространственное разрешение и резкость объекта на изображении. Улучшение разрешения и резкости можно отследить посредством нескольких щелевых диафрагм с узкими отверстиями. В используемой испытательной установке маска щелевой диафрагмы с постепенно сужающимися и смещающимися ближе друг к другу вертикальными отверстиями расположена напротив черного панельного обогревателя с неизменной температурой.

Испытательная установка с щелевой диафрагмой

На изображении без использования технологии SuperResolution можно увидеть, что по мере приближения отверстий друг к другу картинка становится всё более "смазанной". При использовании технологии SuperResolution повышается резкость изображения в целом, и даже по мере приближения отверстий друг к другу мы можем различать гораздо больше деталей, нежели на первом изображении.

Проведение более тщательного анализа демонстрируют, насколько проблематичным может оказаться низкое разрешение детектора в действительности: в результате наложения спектров (алиасинг) мы получаем искаженные изображения и, как следствие, неточные результаты измерения температуры.

Возможность использования технологии SuperResolution

Технология Testo SuperResolution доступна для всех моделей тепловизоров серий testo 875, testo 876, testo 881, testo 882, testo 885 и testo 890. С помощью специального обновления встроенного программного обеспечения возможно дооснащение поставленных ранее моделей тепловизоров технологией SuperResolution.

Испытательная установка с щелевой диафрагмой

Области применения технологии SuperResolution

Строительная термография

В строительной термографии технология SuperResolution идеально подходит для быстрого и эффективного обнаружения дефектов строительства, а также для анализа потерь энергии в системах отопления и кондиционирования зданий. Высокий уровень детализации термограмм позволяет чётко выявить дефекты тепловой изоляции, обнаружить тепловые мосты, а также дефекты ограждающих конструкций. Термограммы,полученные с использованием технологии SuperResolution, идеально подходят для комплексной диагностики зданий, а также для проведения работ по обслуживанию внутренних помещений и/или ограждающих конструкций, в частности – с целью обеспечения консультации по энергоэффективности.

Электротехника и техническое обслуживание

Технология SuperResolution намного упрощает процесс проведения качественной и детализованной термографии на системах низкого, среднего и высокого напряжения. Получение термограмм высокого разрешения при проведении работ по техническому обслуживанию позволяет выявить неисправные компоненты и соединения на ранней стадии и своевременно принять соответствующие меры. В свою очередь, это снижает риск возгорания, а также позволяет избежать дорогостоящих простоев на производстве. Технология SuperResolution позволяет с точностью выявить потенциально «слабые» участки оборудования и систем. Что касается механических компонентов, то обнаружение участков аномального нагрева (например, вызванного трением или некорректной установкой) может свидетельствовать о превышении допустимой нагрузки.

Исследования и разработки

В области научно-исследовательских работ термограммы высокого разрешения необходимы для целевого анализа распределения и проявления тепла, например, на печатных платах. Так, например, данная технология обеспечивает возможность проведения незамедлительной диагностики компонентов бесконтактным методом, включая возможность визуализации мельчайших деталей. Все температурные значения доступны для дальнейшего анализа, по результатам которого температурный режим отдельных компонентов может быть оптимизирован.

Заключение

С технологией Testo SuperResolution количество температурных значений может быть увеличено в четырые раза, а пространственное разрешение – в 1,6 раза, что означает – больше деталей, больше надежности при проведении тепловизионной съемки. С технической точки зрения это достигается путём комбинации двух технологий – «супервыборки» и деконволюции, а также специально разработанного алгоритма. Подтверждением значительного улучшения разрешения термограммы может служить испытание, проведенное с использованием щелевой диафрагмы. Качественные тепловые снимки высокого разрешения используются во многих областях строительной и промышленной термографии в целях своевременного обнаружения повреждений и потенциально «слабых» участков, а также для более лучшего анализа случаев аномального нагрева и неравномерного распределения температур.