一種擴(kuò)大熱圖像有效場景亮度，同時(shí)保持其熱對比度的技術(shù)。
什么樣的熱圖像是好圖像?好圖像就是呈現(xiàn)高對比度，同時(shí)顯示最細(xì)微溫差的圖像。熱像儀可以做到這一點(diǎn)，而且可以定義溫度范圍。
原理簡介
例如，對于室溫上下的溫度，操作人員會(huì)將熱像儀設(shè)定在-20°C至+50°C的典型溫度范圍。所有溫度超過此范圍的物體，其最亮或最熱的部位會(huì)顯示為飽和顏色;溫度低于此范圍的物體一般噪點(diǎn)較多。
因此，如果物體的最高溫度是+100°C，那就必須選擇+20°C至+120°C的范圍。在這種情況下，熱像儀會(huì)顯示這個(gè)+100°C物體的好圖像，但這幅圖上的室溫物體的細(xì)節(jié)對比度不如-20°C至+50°C的第一幅圖像。
合乎邏輯的做法是將兩幅圖像整合。解決方案可以是，讓熱像儀以第一個(gè)室溫范圍“拍攝”一幅圖像，然后以更高的溫度范圍“拍攝”第二幅圖像。用智能方式結(jié)合這兩幅圖像，所生成的優(yōu)質(zhì)圖像將包含兩幅圖像的最佳部分。這就是超幀原理。
問題和應(yīng)用
處理極端溫度時(shí)，問題會(huì)變得復(fù)雜：寒冷冬夜里站在火焰旁的人就是典型的例子。圖像中最亮或最熱的部分會(huì)飽和，與此同時(shí)，場景中最暗或最冷的部分在圖像上會(huì)顯示成黑色或噪點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)物體顯得飽和或多噪點(diǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)問題：圖像細(xì)節(jié)丟失，該場景部位的測溫值失真。
高級熱成像和測溫技術(shù)通常需要獲取溫度范圍非常寬廣的場景圖像或圖像序列。在研發(fā)用途的熱成像中，飽和問題會(huì)令人非常煩擾，因?yàn)榇祟愑猛拘枰獪夭罘浅＞薮蟮膱鼍俺上窕蚋咚贁?shù)字視頻，比如引擎監(jiān)控、火箭發(fā)射或一次爆炸。這個(gè)問題在中波紅外波段尤為嚴(yán)重，可使用超幀技術(shù)解決。
圖1 - 4：極端溫度下的一組焊接連續(xù)鏡頭：積分或曝光時(shí)間越短，溫度范圍就越高，黑色或噪點(diǎn)區(qū)域也越大。
最細(xì)微溫差，可以通過改變曝光值或熱成像系統(tǒng)中所謂的積分時(shí)間來控制。我們把積分時(shí)間這個(gè)術(shù)語定義為熱像儀內(nèi)部熱成像探測器生成一個(gè)單幀的曝光時(shí)間。
以較長的曝光時(shí)間來操作熱像儀能夠提高靈敏度，但與此同時(shí)，這也限制了熱像儀的測溫范圍：高溫物體如此明亮，以至于它們超出了熱像儀的規(guī)定測溫范圍。如果一個(gè)場景或一組連續(xù)鏡頭包含需要同時(shí)測量的極端溫差，熱像儀的曝光時(shí)間應(yīng)大大縮短。但由于超出了規(guī)定的測溫范圍，這種縮短本身會(huì)造成場景較冷區(qū)域溫差測量的能力下降，導(dǎo)致這些區(qū)域在屏幕上顯示為黑色或噪點(diǎn)，如圖1至4所示。
有沒有一個(gè)曝光時(shí)間能夠安全涵蓋一個(gè)場景的溫度變化，并精確測量該場景的所有冷熱物體?沒有，但有另一個(gè)選項(xiàng)。
解決方案：FLIR超幀技術(shù)
FLIR超幀技術(shù)指的是，在一個(gè)快速的連續(xù)時(shí)間內(nèi)，以逐漸加快的曝光時(shí)間拍攝一組4幅具有代表性的場景圖像(子幀)，然后重復(fù)這個(gè)循環(huán)。每次循環(huán)的子幀被合并為一個(gè)超幀，如我們所知，這個(gè)超幀結(jié)合了曝光時(shí)間不同的4個(gè)子幀的最佳特性。這一過程稱為疊加。采用這種方式，疊加算法生成的超幀圖像對比度高，溫度范圍廣。算法的原理很簡單：如果第一個(gè)子幀的某個(gè)像素飽和了，算法就會(huì)從下一個(gè)子幀選擇相應(yīng)的像素。如果該像素符合要求，算法就停止運(yùn)作，否則它會(huì)挑選下一個(gè)子幀中合適的像素，以此類推。所有像素值都轉(zhuǎn)換為最終的超幀圖像的溫度或輻射單位。
圖1、2、3用兩幅曝光時(shí)間為2毫秒和30微秒的比奇空中霸王雙螺旋槳飛機(jī)圖像展現(xiàn)了超幀技術(shù)。這些圖像是采用高性能中波紅外(MWIR)熱像儀系統(tǒng)FLIR S C7000以每秒170幀、640x512像素的全幀尺寸拍攝。這兩幅圖像間隔時(shí)間短暫(約40毫秒)，意味著場景并未發(fā)生大變化;螺旋槳的運(yùn)動(dòng)幾乎無法察覺。
圖1、2、3用兩幅曝光時(shí)間為2毫秒和30微秒的比奇空中霸王雙螺旋槳飛機(jī)圖像展現(xiàn)了超幀技術(shù)。這些圖像是采用高性能中波紅外(MWIR)熱像儀系統(tǒng)FLIR S C7000以每秒170幀、640x512像素的全幀尺寸拍攝。這兩幅圖像間隔時(shí)間短暫(約40毫秒)，意味著場景并未發(fā)生大變化;螺旋槳的運(yùn)動(dòng)幾乎無法察覺。
曝光時(shí)間為2毫秒的圖像，場景的每個(gè)部分都有良好的對比度，但飛機(jī)的排氣系統(tǒng)除外，這個(gè)部位溫度太高，以至于這部分的圖像發(fā)生飽和。(圖1)
相反地，曝光時(shí)間為30微秒的圖像沒有任何飽和，清晰地展現(xiàn)了排氣系統(tǒng)，但其余的場景溫度過低，以至于無法清楚看到系統(tǒng)本底噪聲以上的部位(圖2)。
用正確的算法結(jié)合這兩幅圖像，能夠生成對比度高、溫度范圍廣的圖像(圖3)。
技術(shù)
采用超幀技術(shù)需要一些技術(shù)先決條件，幸運(yùn)的是，這些條件在商業(yè)市場已經(jīng)成型。配備320x256或640x512像素等大型陣列、能夠生成超幀所需高幀率的商用熱像儀就是其中之一。另一個(gè)條件是能夠處理巨量數(shù)據(jù)(64 MB/S)的計(jì)算機(jī)，這些數(shù)據(jù)來自以高幀率運(yùn)行的熱像儀。
這種技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用在FLIR SC系列的研發(fā)和先進(jìn)科技解決方案上。FLIR SC2500 - SC5000 - SC7000全系及其ALTA?R圖像處理軟件都搭載一體化FLIR超幀功能。
總結(jié)
FLIR超幀技術(shù)大大提高了熱成像系統(tǒng)的有效場景亮度，同時(shí)維持了熱對比度，即便是在低溫條件下。
FLIR超幀技術(shù)的原理是，以循環(huán)的方式逐幀改變熱像儀的曝光時(shí)間或積分時(shí)間，將生成的子幀組合成溫度范圍大為擴(kuò)展的單一超幀，從而拍攝出具有極端溫差的場景。
