Produktionstrend 2016/07-08, Technische Diagnoseabteilung

"Präzise Temperaturmessung oder spektakuläre Visualisierung?"

BILDVERBESSERUNG BEI WÄRMEBILDKAMERAS (II.)

Bei Wärmebildmessungen erhalten wir oft nicht korrekte Ergebnisse, sondern höchstens verschönerte grafische Darstellungen oder sogar schlechtere Messdaten. Dadurch wird schnell teuer, was zunächst günstiger erschien.

Es kommt vor, dass einige Wärmebildkameras scheinbar gleichwertige Technologien mit korrekten Messverfahren anbieten, jedoch bleibt die tatsächliche Messfähigkeit der jeweiligen Wärmebildkamera dem Endbenutzer ohne entsprechendes Fachwissen verborgen. In unserem ersten Teil haben wir zwei softwarebasierte - und messtechnisch oft bedenkliche - Methoden vorgestellt, die die Bildqualität verbessern und die Messgenauigkeit erhöhen. Nach der Erläuterung einer ebenfalls gelegentlich problematischen Hardware-Methode in dieser Fortsetzung werden wir den Unterschied zwischen echten qualitätsverbessernden und nur die Darstellung "verbessernden" Verfahren genauer betrachten. Hardwarebasierte Auflösungserhöhung mit der Microscan-Methode Die vierfache Pixelanzahl der in Matrix-Wärmebildkameras eingebauten Sensormatrixauflösung kann wie bereits erwähnt nur zuverlässig durch Hardware erreicht werden. Hierzu kann die Position des Strahlenbündels, das auf die Sensormatrix projiziert wird, innerhalb der Wärmebildkamera durch Mikrobewegungen des Sensors oder durch horizontale und vertikale optische Ablenkung der einfallenden Strahlung verändert werden. Auf diese Weise wird auch die Strahlung erfasst, die auf den leeren Raum zwischen den ursprünglichen zwei Elementarsensoren (Pixeln) projiziert wird, und somit für die Bildgebung nutzbar ist. Gleichzeitig erhöht sich die geometrische Auflösung der Wärmebildkamera in jedem Fall um 33 Prozent. Da dieses Verfahren nicht von Handzittern ausgeht, kann es selbstverständlich auch bei einer auf einem Stativ montierten Wärmebildkamera angewendet werden.

Obwohl das Microscan-Verfahren nicht gerade schnell genannt werden kann (es dauert 0,5-1 s, um ein hochauflösendes Wärmebild aufzunehmen), ist es derzeit immer noch die einzige Methode, um echte pixelgenaue, extra große Wärmebilder bei maximaler geometrischer Auflösung zu erstellen. Wärmebildkameras mit dieser Fähigkeit sind beispielsweise die Jenoptik VarioCAM-Gerätefamilien, die über die beschriebene optionale Funktion Resolution Enhancement verfügen. Mit den VarioCAM hr-Wärmebildkameras mit einem Detektor von 640×480 Pixeln können im Microscan-Modus 1,23 Millionen Pixel und mit den VarioCAM HD-Wärmebildkameras mit einem Detektor von 1024×768 Pixeln 3,15 Millionen Pixel - ausschließlich echte Messdaten enthaltende - Wärmebilder erstellt werden. Dies ermöglicht die Durchführung äußerst detaillierter Messungen auf sehr großen Oberflächen ohne jegliche nachträgliche Wärmebildmontage oder andere Eingriffe.

Zusammenfassend können wir sagen, dass die Interpolation die Pixelauflösung (und die geometrische Auflösung) der Wärmebildkamera nicht verbessert, sondern den Inhalt des Wärmebildes verfälscht. Die Auflösungserhöhung aufgrund von Handzittern wäre zwar gut, jedoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass die erforderlichen vier zusammenpassenden Aufnahmen gemacht werden können, sehr gering. Die einzige korrekte Methode zur Erhöhung der Pixelauflösung von Wärmebildern ist das Microscan-basierte Verfahren, das auf einem Stativ immer die vierfache Pixelauflösung sicherstellt und gleichzeitig eine 33-prozentige Verbesserung der geometrischen Auflösung garantiert. Bei manueller Handhabung ist es wahrscheinlicher, ein besseres Ergebnis zu erzielen als mit der "Handzitter"-Methode ohne Microscan. Fokussierung, Schärfentiefe Leider gibt es nicht nur Missverständnisse rund um die Pixel- und geometrische Auflösung, sondern auch hinsichtlich des Inhalts und der Schärfe (Fokussierung und Schärfentiefe) des Wärmebildes. Es ist ein fachlicher Fehler zu behaupten, dass die Schärfe oder Genauigkeit eines Wärmebildes durch die Verwendung eines visuellen Bildes verbessert werden könnte. Das Wärmebild ist jedoch eine pixelweise abgeleitete Temperaturdaten und kein grafisch verbessertes Bild. Wir dürfen nicht vergessen, dass es sich um ein messtechnisches Verfahren handelt, dessen Ziel die möglichst genaue Temperaturmessung der untersuchten Objekte ist! Bunte Kunstwerke haben hier keinen Platz. Es ist allgemein bekannt, dass die Schärfentiefe von Wärmebildkameras sehr gering ist, im Vergleich zur Fotografie deutlich kleiner. Der Grund dafür ist, dass für die Erzielung der erforderlichen Messgenauigkeit (thermische Auflösung) in der Thermografie verwendeten Detektoren eine große Energiemenge benötigt wird, was wiederum große Blendenöffnungen und große Linsendurchmesser erfordert, was jedoch mit einer Verringerung der Schärfentiefe einhergeht. Wie groß dieses Problem ist, lässt sich leicht erkennen. Die geringste Fokussierungsungenauigkeit führt zu einem unbrauchbar unscharfen Wärmebild, das sogar erhebliche Messfehler aufweisen kann.Denn bei falscher Fokussierung fällt nur ein Teil der Strahlungsmenge, die zu einem Punkt gehört, auf die betroffene Sensorfläche, der Rest wird in dessen Umgebung projiziert. Dies führt dazu, dass bei lokalem Temperaturmaximum des Objekts der angezeigte Wert niedriger und bei lokalem Temperaturminimum höher ist als in der Realität. Je schlechter die Fokussierung ist, desto größer ist die Abweichung vom realen Wert.

Das rechte Bild in Abbildung 3 zeigt, dass bei schlechter Fokussierung nur ein Teil der einfallenden Strahlung auf die korrekte Abbildungsfläche des Sensors fällt, der Rest der Strahlung trifft seine Umgebung. Daher zeigt eine Wärmebildkamera bei falscher Fokussierung immer weniger extreme Mindest-/Höchsttemperaturen als die Oberfläche des Objekts in der Realität. Dieser Fehler kann bis zu 20-30 Prozent betragen. Das Aussehen ist nicht alles Zur Verbesserung der Qualität von Wärmebildern versuchen die Hersteller von Wärmebildkameras eine Vielzahl von Lösungen anzubieten. Die meisten davon dienen jedoch nur zur Verbesserung des Aussehens - also nicht zur Genauigkeit der Messdaten. Im ersten Teil des Artikels wurde bereits gezeigt, dass die Interpolation nicht in der Lage ist, die fehlende geometrische Auflösung zu ersetzen. Ebenso ist die Interpolation nicht geeignet, um eine falsche Fokussierung zu korrigieren. Viele andere Methoden sind jedoch auch dazu nicht in der Lage, obwohl die Hersteller und Vertreiber von Wärmebildkameras genau das behaupten, nämlich dass durch ihre Verwendung genauere oder schärfere Wärmebilder erstellt werden können.

Es lohnt sich zu untersuchen, was die weit verbreitete und beliebte Kompositdarstellung (Überlagerung des Wärmebildes auf das Foto) als "Verbesserungsverfahren" leisten kann. Da diese Methode weder zusätzliche Messdaten generiert noch die optische Abbildung der detektierten Wärmestrahlung auf den Detektor verbessert, verbessern auch spektakuläre Wärmebilder nicht den Informationsgehalt und die Genauigkeit der Messung. Die Kompositdarstellung (egal wie sie genannt wird, sei es Bild-in-Bild, Fusion oder irgendein anderes kommerzielles Wunderlabel) ist nur ein Mittel zur Verbesserung des Aussehens, das die Messfähigkeit unserer Wärmebildkamera nicht verbessert und die Daten nicht genauer macht. Oft hat es sogar den gegenteiligen Effekt, da durch die Überlagerung mögliche Mess- oder Einstellungsfehler nicht deutlich genug sichtbar werden und somit auch die ungenaue Messung und deren Folgen nicht.

Einzigartige Verfahren? Vor allem Unternehmen, die nicht wirklich aus dem Bereich der Mess-Wärmebildkameras stammen (sondern beispielsweise aus der militärischen Infrarot-Erkennung und -Verfolgung), werben auf dem Markt mit Anzeigen, die besagen, dass sie mit immer neuen einzigartigen Verfahren die Qualität von Wärmebildern verbessern können. Zu ihren Behauptungen gehört, dass mit ihren Methoden genauere Messungen erreicht werden können, schärfere und besser analysierbare Wärmebilder erstellt werden können, während der Verlust von Temperaturinformationen reduziert wird. Bei der fachlichen Überprüfung dieser beworbenen Methoden stellt sich jedoch oft heraus, dass diese Aussagen irreführend sind. Ein gutes Beispiel für solche unbegründeten Behauptungen ist die neueste MSX-Technologie der Firma FLIR. Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, termokamera.hu

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