Bildbearbeitung
Hoch aufgelöste, gestochen scharfte und kontrastreiche Wärmebilder? Klar, die will jeder! Hier erfährst Du die Verfahren und „Tricks“ dazu. Achtung, nicht alles ist wirklich empfehlenswert.
Es gibt für einen Laien schon fast unüberschaulich viele Verfahren – insbesondere zur Erhöhung der Pixelauflösung und/oder der Verbesserung der visuellen Bildqualität. In den Empfehlungen der Hersteller und Vertreiber von Wärmebildkameras werden alle Verfahren gleichermassen gelobt und angepriesen. Doch in Wirklichkeit ist tatsächlich nicht alles Gold, was glänzt. Zumindet nicht aus messtechnischer Sicht.
Ich erkläre dir also hier die Unterschiede zwischen den einzelnen Verfahren und zeige deren Ergebnisse an konkreten Beispielen auf.
Erhöhung der Pixelauflösung
Die drei weit verbreitesten Verfahren zu Erhöhung der Pixelauflösung innerhalb des Kamerasichtfeldes sind Interpolation, die auf kleine Handbewegung aufbauende Software-basierende Auflösungserhöhung (oft als SuperResolution), bzw. das Hardware-basierende Micro-Scan-Verfahren (Mikroabtastung). Alle erreichen als Ergebnis eine vierfache Pixelanzahl, jedoch gibt es bei Anwendbarkeit und messtechnischem Inhalt (und den sich daraus ergebenden Messparametern) gravierende Unterschiede.
Einige Wärmebildkameras verwenden zur Erhöhung der Pixelauflösung die Interpolation, welche auch bei graphischen Bildbearbeitungsprogrammen üblich ist. Dieses Verfahren erzeugt ein mathematisch interpoliertes Pixel zwischen den gemessenen Pixeln des aufgezeichneten Wärmebildes, wobei sich die Pixelzahl (durch horizontale und vertikale Duplizierung) auf das Vierfache des ursprünglichen Werts erhöht. Dieses führt jedoch zu einer „Messdaten”-Datei, deren Pixel zu 75% berechnet wurden, d.h. es handelt sich nicht um reale (gemessene) Temperaturwerte.
Die Verbesserung der visuellen Darstellung des Wärmebilds erfolgt also durch „Auffüllen“ des Dateninhalts der Messwertedatei mit nicht-gemessenen Werten, was eine spätere korrekte Auswertung praktisch unmöglich macht. Noch dazu erhöhen sich hierbei weder die Messgenauigkeit noch die geometrische Auflösung. Die Verwendung dieser Methode kann ich Dir daher nicht empfehlen.
Da in einer Sensormatrix zwischen den Einzeldetektoren ein Abstand von fast einem viertel Pixel (ohne Messfähigkeit) zwecks Platzierung der Anschlüsse und zur Vermeidung der thermischen Beeinflussung der benachbarten Pixel vorhanden ist, wird natürlich auch dass Messobjekt nur lückenhaft erfasst. Um dies zu eliminieren, hat sich ein Verfahren zur Verbesserung der Pixelauflösung von Thermogrammen verbreitet, welches die Mikrobewegungen der menschlichen Hand während der Messung ausnutzt. Das Verfahren wird am häufigsten als SuperResolution benannt.
Die kleinen Sichtfeldfeldverschiebungen ausnutzend werden gewöhnlich 16 Wärmebilder nacheinander gespeichert, unter denen sich (hoffentlich) auch jeweils ein Wärmebild mit einer horizontalen und/oder vertikalen Verschiebung um je einen halben Pixel befindet. Die hieraus ausgewählten (zueinander passenden) 4 Wärmebilder werden nun in die Pixelzwischenräume des ersten Thermogrammes positioniert und zu einem einzigen Wärmebild montiert. Als Ergebnis erhöht sich die Pixelanzahl senkrecht und waagerecht auf das Doppelte, die Pixelauflösung des entstehenden Thermogramms ist das Vierfache der eigentlichen Detektormatrix. Auch die geometrische Auflösung erhöht sich (um 33%), da ja nun die Objekterfassung lückenlos ist.
So einfach (und preiswert) diese Methode ist, so hat sie auch Schwächen. Sie kann u.a. keinesfalls bei auf Stativ montierten Thermokameras verwendet werden. Aber auch die Bewegung unserer Hand ist nur selten ausreichend „regelmäßig”. Da der Vorgang etwa 0,5 … 1 Sekunde lang dauert, sinkt typischerweise unsere Hand über diese Zeit, wodurch es schließlich keine 4 zueinander passenden Wärmebilder gibt. Der Algorithmus kann auch dann keine Auswahl treffen, wenn scharfe Kontraste (ausreichend steile Temperaturgradienten) fehlen oder innerhalb des Sichtfeldes Bewegungen aufgetreten sind. Die Verwendbarkeit dieser Methode ist daher begrenzt.
Thermogramme mit vierfacher Pixelauflösung können zuverlässig durch Mikroabtastung (Micro-Scan Technologie) mittels einer in die Thermokamera eingebauten Hardware aufgenommen werden. Micro-Scan ändert nacheinander die Position der Strahlungsprojektion auf die Detektormatrix in horizontaler und vertikaler Richtung um je einen halben Pixel, was u.a. durch optische Ablenkung der einfallenden Strahlung (innerhalb der Thermokamera) bewirkt werden kann. Somit wird auch in der ursprünglichen Lücke zwischen den Einzelpixeln jeweils ein Messwert erfasst und für die nachfolgende Wärmebilderstellung verwendet.
Das vierfach aufgelöste Ergebnisthermogramm entsteht durch die Überlagerung der insgesamt 4 Wärmebilder mit jeweils einer Halbpixel-Verschiebung zur Seite und/oder nach unten. Der wesentliche Unterschied zur „Handbewegungsmethode” besteht darin, dass das Ergebnis in jedem Falle aus vier – mit genau definierter Position aufgenommenen und damit sicher montierbaren – Wärmebildern entsteht. Dadurch wird die geometrische Auflösung der Thermokamera in allen Fällen durch die lückenlose Erfassung des Objektes um 33% erhöht. Da diese Methode keine Handbewegung voraussetzt, ist sie auch bei montierten oder auf Stativ befindlichen Kameras anwendbar.
Darüber hinaus gibt es Verfahren zur Erstellung größerer Wärmebilder durch die Montage mehrerer (bereits gespeicherter) Einzelthermogramme. Bei einigen Wärmebildkameras kannst Du eine integrierte Funktion für Panoramaaufnahmen finden. Es gibt aber auch PC-Programme, die das nachträgliche Zusammenfügen von Wärmebildern horizontal und vertikal ermöglichen – sogar in praktisch unbegrenzter Anzahl derselben.
Die Begutachtung großer Objekte (z.B. Industrieanlagen, öffentliche Gebäude, große Maschinen, Hochöfen usw.) ist oft mit der Notwendigkeit verbunden, das gesamte Objekt auf einem einzigen Thermogramm darzustellen, um die Temperaturverhältnisse des Objekts erkennen zu können. Dies kann jedoch nur selten mit einem einzigen Wärmebild erreicht werden, da oft selbst die mit dem Micro-Scan-Verfahren erreichbaren 3,15 Millionen Pixel nicht die notwendige geometrischen Auflösung absichern. Noch dazu sind die Vor-Ort-Bedingungen nicht selten so ungünstig, das es generell (auch visuell) nicht möglich ist, das Objekt in seiner Gesamtheit von einem einzigen Standort aus zu erfassen.
Bei sich horizontal weit erstreckenden Objekten ist die bei einigen Wärmebildkameras verfügbare Panoramaaufnahme-Funktion eine praktische Lösung. Hierzu wird die Kamera horizontal geschwenkt, wobei fortlaufend (sich überlappende) Wärmebilder aufgenommen werden. Diese werden sodann automatisch zu einem kontinuierlichen, horizontal erweiterten Wärmebild montiert. Natürlich hängt es von der Software ab, ob das Ergebnis nur eine grafische Darstellung (nicht auswertbar, ohne radiometrische Daten), oder eine IR-Datendatei wird (welche wie die einzelnen Wärmebilder ausgewertet werden kann). Eingeschränkt ist dieses Verfahren durch die Begrenzung auf eine horizontale Bildfolge, womit also in Höhe und Breite große Objekte doch nicht im Ganzen auf einem Thermogramm erfasst werden können.
Das Montieren von Thermogrammen ist für Großobjekte (Gebäude und Industrieanlagen) recht häufig erforderlich, da auch das Panoramawärmebild hierfür oft nicht ausreicht. Erfordert das Objekt nicht nur horizontal, sondern auch vertikal mehrere Wärmebilder, wächst die Anzahl der zu bearbeitenden Wärmebilder stark an, damit natürlich explosionsartig auch die Zeit für deren Bearbeitung. Welche große Hilfe hier eine Software zur automatischen Montage von Thermogrammen bedeutet, muss sicher nicht lange erklärt werden. Insbesondere, wenn auch noch das Ergebnis eine Thermogramm-Datendatei wird, welche ohne Einschränkung (wie die „kleinen” Original-Wärmebilder) ausgewertet werden kann.
Natürlich ist eine solche automatische Montage an viele Bedingungen gebunden. Die Thermogramme müssen eine übereinstimmende, ausreichend große Überlappung aufweisen, und sollten aus dem gleichen Beobachtungswinkel und gleicher Entfernung aufgezeichnet worden sein. „Pflicht” sind auch gleiche Messbedingungen und die gleichen Einstellungen der Thermokamera. All dies erfordert ein hohes Maß an Disziplin und genaue Arbeit vor Ort, was sich aber bei der weiteren Aufarbeitung mehrfach auszahlt.
(Abbildungen © Eric Rahne)
(Abbildungen © Eric Rahne)
(Abbildung © Eric Rahne)
(Abbildung © Eric Rahne)
(Abbildung © Eric Rahne)
Erhöhung der Bildschärfe / des Bildkontrastes
Für Genauigkeit und die Qualität der Wärmebilddaten sind nicht nur die Pixelauflösung und die geometrische Auflösung wichtig, sondern auch derer optische Schärfe (Fokus und Schärfentiefe). Es wäre auch falsch anzunehmen, dass durch die Überlagerung mit einem visuellen Bild die Schärfe oder sogar die Genauigkeit der Daten eines Wärmebildes verbessert werden könnten. Wärmebilder sind je Pixel gemessene Strahlungsdaten, umgerechnet in pixelweise Temperaturwerte – somit also kein grafisch aufwertbares Bild! Im Folgenden werden wir daher außer den optischen Zusammenhängen auch tatsächliche und angebliche „Verbesserungsverfahren” bezüglich ihrer Ergebnisse und „Nebenwirkungen” untersuchen.
Es ist allgemein bekannt, dass die Schärfentiefe der Wärmebildkameras sehr klein ist, gut eine Größenordnung kleiner als bei der Fotografie üblich. Dies liegt an der hohen Energiemenge, die wegen den relativ unempfindlichen Infrarot-Detektoren der thermografischen Systeme notwendig sind, um genaue Messwerte (ausreichende thermische Auflösung) erreichen zu können. Dies erfordert lange Verschlusszeiten und/oder große Linsendurchmesser, deren Folge jedoch die Verringerung der Schärfentiefe ist. Damit wird automatisch die genaue Fokussierung zu einem kritischen Parameter.
Um die Qualität von Wärmebildern zu verbessern, versuchen viele Thermokamerahersteller eine Vielzahl von Lösungen anzubieten, von denen die meisten aber nur die Darstellung verbessern (verschönern), jedoch nicht die Genauigkeit der Messdaten erhöhen. Ich habe Dir bereits gezeigt, dass die Interpolation nicht dazu geeignet ist, die Pixelauflösung zu erhöhen und damit indirekt die fehlende geometrische Auflösung zu ersetzen. Die Interpolation ist aus selbigem Grund auch nicht geeignet, um schlechte Fokussierung zu vermeiden oder zu korrigieren.
Die Anwendung der Interpolation ist sogar unbedingt zu vermeiden, da sie höchstens die falsche Fokussierung optisch etwas übertüncht, aber niemals zu korrekteren Messergebnissen führt.
Die Überlagerung von Wärmebild und (visueller) Fotografie (auch „Fusion”, „Fotoüberlagerung” oder „VIS+IR” genannt) ist sehr verbreitet und beliebt. Kannst man damit eine korrektere Fokussierung und damit exaktere Messergebnisse erzielen? Die Antwort auf diese Frage ist leicht zu geben: Da dieses Verfahren keine zusätzlichen Messdaten erzeugt, werden weder die Anzahl der Messdaten noch deren Genauigkeit verbessert. Die überlagerte Darstellung von Thermogramm und Foto ist also nur ein visuelles Werkzeug, welches lediglich die optische Darstellung, aber nicht die Messfähigkeit der Thermokamera verbessert. (Daher ändern sich die Temperaturwerte auf dem Wärmebild mit Fotoeinblendung auch nicht gegenüber dem unscharfen Thermogramm ohne selbige.)
Statt dessen wird durch diese Art der Darstellung die Erkennbarkeit eventueller Mess- und Einstellungsfehler eher noch verschlechtert. Ungenaue Messungen (z.B. Unschärfe) und deren Konsequenzen werden also nur schwerer erkannt. Dieses Verfahren solltest Du also nie während der Messtätigkeit, sondern nur für die nachträgliche Darstellung bzw. Berichtserstellung verwenden.
Die Einblendung der Kontrastlinien aus der Fotografie und deren Einblendung auf das Wärmebild macht die Konturen der Messobjekte sichtbar, weshalb das Wärmebild deshalb einen visuell „schärferen” Eindruck macht. Auf diese Weise kann sogar ein völlig unbrauchbares (sprich: nicht auswertbares) Wärmebild vertuscht werden, wobei aber die Messdaten in keiner Weise zur Korrektion kommen. Eine Verbesserung oder Korrektur der Messdaten und damit derer Genauigkeit (z.B. Schärfe) geschieht dagegen nicht. (Daher ändern sich die Temperaturwerte auf dem Wärmebild mit Kontrasteinblendung auch nicht gegenüber dem unscharfen Thermogramm ohne selbige.)
In der Tat sind sogar die auf einem Thermogramm ansonsten visuell wahrnehmbaren „Warnzeichen” im Falle einer schlechten Fokussierung oder unzureichender geometrischer Auflösung (oder zu kleiner Pixelauflösung) durch die Kontrastlinien verdeckt! Dieses Verfahren gibt also keinesfalls eine Unterstützung zur korrekteren und genaueren Objekttemperaturmessung. Auch dieses Verfahren solltest Du also nie während der Messtätigkeit, sondern nur für die nachträgliche Darstellung bzw. Berichtserstellung verwenden.
Da die Thermokameras nur eine sehr geringe Schärfentiefe aufweisen, werden Objekte, die vor oder hinter der fokussierten Entfernung liegen, nur unscharf abgebildet. Es muss daher oft entschieden werden, welcher Teil des Objektes (oder welche Objekte) aus Sicht der genauen Messung am wichtigsten sind. Die folgenden Bilder zeigen dieses Dilemma: die beiden Heizspiralen befinden sich 15 mm hintereinander. Bei einer Messentfernung von 40 cm gibt es keine Fokussierung, bei der beide Spiralen gleichzeitig scharf dargestellt werden können.
Für eine gleichzeitige scharfe Darstellung beider Spiralen muss die Wärmebildkamera mehrere Thermogramme (der entfernteren und näheren Objektebenen) mit unterschiedlichen Fokuseinstellungen aufzeichnen. Aus diesen werden dann die jeweils scharfen Details zu einem einzigen Wärmebild vereint. Wesentlich ist hierbei, dass das Ergebnisthermogramm keine grafisch „aufpolierte” Darstellung ist, sondern eine aus über einen erweiterten Schärfentiefebereich scharf fokussierten, auswertbaren Messdaten bestehende Messdatendatei. Dieses Verfahren ist – mit kleinen Unterschieden in der technischen Verwirklichung – u.a. unter den Handelsnamen EverSharp oder MultiSharp™ in IR-Kameras mehrerer Hersteller vorzufinden. Die Anwendung dieses Verfahrens kann ich Dir ohne jegliche Vorbehalte wärmstens empfehlen.
(Abbildungen © Eric Rahne)
(Abbildungen © Eric Rahne)
Fortsetzung
Weitere Informationen zur Gerätetechnik der Wärmebildkameras findest Du hier:
Grundlegender Aufbau
Aus welchen Hauptbestandteilen besteht eine Wärmebildkamera?
Infrarot-Detektoren
Was sind thermische Sensoren, was sind Photonendetektoren?
Objektive & Filter
Was sind die Materialien für IR-Objektive und Spektralfilter?
Signalverarbeitung
Welchen Einfluss haben die Detektor-Ausleseverfahren auf das resultierende Wärmebild?
Geräteparameter
Welchen Einfluss haben die messtechnischen Parameter auf die Anwendbarkeit?
Kalibration
Wie und womit werden Wärmebildkameras kalibriert? Was ist der NUC-Abgleich?