Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Testo SuperResolution – patentovaná metoda vyhodnocování termogramů

V průmyslu nebo ve stavebnictví je často třeba snímat termogramy velmi malých nebo hodně vzdálených objektů. Přitom platí: čím je větší rozlišení snímku a čím více je v termogramu naměřených hodnot, tím detailnější a zřetelnější je znázornění měřeného objektu. Metoda Testo SuperResolution zlepšuje využitelné geometrické rozlišení termo­snímku o faktor 1,6 a poskytuje čtyřikrát více naměřených hodnot v porovnání s rozlišením detektoru. Algoritmus metody SuperResolution, instalovaný v počítači jako součást analyzačního programu termogramů, kombinuje metody super-sampling a dekonvoluce, implementované v termokamerách firmy Testo.

Úvod

Pracovníci ve stavebnictví, v průmyslové údržbě, v elektrotechnice nebo ve výzkumných laboratořích často stojí před podobným problémem: musí analyzovat teplotu velmi malých nebo velmi vzdálených objektů. Přitom je rozlišení snímků z termokamer limitováno technologickými mezemi detektorů. Metoda SuperResolution výrazně zlepšuje kvalitu termogramů. Termogramy pořízené s podporou uvedené metody mají čtyřikrát více naměřených hodnot a geometrické rozlišení zlepšené o faktor 1,6. Proto je na každém termosnímku podstatně více detailů, a měření je tudíž přesnější a spolehlivější.

Super-sampling

Bolometrické detektory infrakamer se skládají z jednotlivých měřicích bodů, které snímají vyzařování obrazového bodu a převádějí je na elektricky vyhodnotitelný signál. Měřicí body jsou sestaveny do matice. Z důvodu tepelné izolace je matice měřicích bodů uložena ve vakuovém pouzdře. Mezi jednotlivými měřicími body jsou malé odstupy – rovněž z důvodu tepelné izolace. Izolace zabraňuje přenosu tepla z jednoho měřicího bodu na druhý, avšak současně tak mezi jednotlivými body vznikají slepá místa, ve kterých nelze žádné záření detekovat. Dokonce ani celá plocha měřicího bodu není pro vyzařování citlivá. Každý měřicí bod je tvořen miniaturní membránou, uloženou na tenkých nožičkách. Záření je detekováno pouze ve vnitřní části membrány měřicího bodu.

Když je tedy objekt velmi malý, může se stát, že emitované záření dopadne na slepé místo, a tím se ztratí. Klasický supersamp­ling tento problém řeší tím, že celou matici detektoru postupně posouvá o zlomky šířky měřicího bodu do všech směrů, a takto vzniklou sekvenci snímků složí do jednoho obrazu. Slepá místa mezi body jsou tak vyplněna dodatečnými informacemi a hraniční frekvence detektoru se zlepší.

Pro názornost je princip metody často ilustrován na posunutí o polovinu šířky rozteče obrazových bodů ve směru osy x a ve směru osy y. Ve skutečnosti není třeba posunutí přesně o půl rozteče. Je využíván náhodný přirozený třes ruky. Jednotlivé snímky se potom matematicky složí na sebe a výsledkem je termogram s čtyřikrát vyšším rozlišením, než by odpovídalo rozlišení detektoru. Důležité je, že jsou snímány skutečné hodnoty – nejde o proces interpolace. Interpolací se vytvářejí umělé mezihodnoty bez dalšího zisku informací. Takové uměle dopočítané hodnoty nikdy nemohou překročit sousední hodnoty – což je především u malých objektů nezbytné, aby byly rozeznány např. horké body. Naproti tomu super-sampling zvětšuje rozlišení měření a přesnost v detailu. Názorně to ilustruje obr. 1. Na něm je černou křivkou znázorněn skutečný průběh teploty (v jednom vybraném řezu objektu). Bílé sloupce jsou změřené hodnoty. Vlevo jsou šedě naznačeny interpolované hodnoty mezi měřenými hodnotami. Vpravo jsou oranžově vyznačeny změřené hodnoty získané metodou super-sampling. Je zřejmé, že termogram vpravo odpovídá skutečnému průběhu teploty mnohem lépe než interpolovaný termogram vlevo.

V termogramu jsou tedy skutečné naměřené hodnoty – nedopočítává se teplota, ale poloha měřených bodů. Výsledek je proto srovnatelný se snímáním kamerou s detektorem s vyšším rozlišením. V praxi to také znamená, že nejmenší měřitelný objekt se při dané vzdálenosti mezi kamerou a snímaným objektem zřetelně zmenší. Osoba provádějící snímkování se nemusí k měřenému objektu přiblížit, a přesto lze při analýze termogramu v počítači rozeznat podstatně více detailů (obr. 2).

Dekonvoluce

Druhou použitou metodou je dekonvoluce. Dekonvoluce je matematická metoda, která využívá znalost vlastností objektivu, matematicky koriguje jeho optické vady a odstraňuje z obrazu to, co do něj nepatří: šum, neza­ostřené rozmazané obrazy předmětů mimo obrazovou rovinu atd. Výsledný termogram je potom zřetelně ostřejší než původní – zlepšuje se jeho geometrické rozlišení.

Obě metody, super-sampling a dekonvoluce, se používají i samostatně. Síla metody SuperResolution, vyvinuté firmou Testo, je v tom, že dokázala obě metody zkombinovat do jediného algoritmu vyhodnocení termogramů.

 Elektrotechnika a průmyslová údržba

Metoda SuperResolution usnadňuje detailní termografii u zařízení nízkého, středního a vysokého napětí. Termografické snímky s vysokým rozlišením umožňují včas rozpoznat vadné součásti nebo spoje, takže je možné cíleně učinit potřebná preventivní opatření. To minimalizuje riziko zahoření a eliminuje nákladné odstávky ve výrobě. SuperResolution umožňuje také včas detekovat nadměrné zahřívání součástí výrobních strojů vlivem zvýšeného tření, způsobeného počínající poruchou ložiska při nadměrném namáhání, poruše seřízení, degradaci maziva apod.

Dostupnost metody SuperResolution

Metoda Testo SuperResolution je k dispozici ve všech modelech kamer konstrukční řady testo 875, testo 876, testo 881, testo 882, testo 885 a testo 890. Dokonce již prodané termokamery těchto řad je možné uvedenou metodou dodatečně vybavit za použití aktualizace firmwaru kamery.

 Shrnutí

Metoda Testo SuperResolution zajišťuje se čtyřikrát více naměřenými hodnotami a geometrickým rozlišením zlepšeným o faktor 1,6 podstatně více detailů, a tím větší jistotu při každém termografickém měření. Technicky je toho dosaženo kombinací dvou metod: super-sampling a dekonvoluce. Tyto metody jsou kombinovány pomocí speciálního algoritmu. Důkaz o přínosu metody SuperResolution lze poskytnout experimentem se štěrbinovou clonou.

Výrazně podrobnější termosnímky vedou ve stavební a průmyslové termografii často ke včasnému rozpoznání závad a detailnějším analýzám teplotních anomálií.

 Profil firmy

Firma Testo AG se sídlem v Lenzkirchu (Německo) je jedním z předních výrobců přenosné a stacionární měřicí techniky na světě. Podnik vyrábějící špičková technická zařízení nabízí své výrobky mimo jiné pro techniku ovzduší a životního prostředí, průmysl, měření emisí, pro kontrolu kvality potravin a pro stavebnictví. Firma ročně investuje okolo 15 % svého obratu do výzkumu a vývoje a věnuje tak nadprůměrné investice do techniky orientované na budoucnost. Podnik je na celém světě zastoupen třiceti dceřinými firmami a více než osmdesáti zastoupeními a má celosvětově okolo 2 200 zaměstnanců.

(Testo, s. r. o.)

Obr. 1. Rozdíl mezi interpolací (vlevo) a metodou super-sampling (vpravo)

Obr. 2. Termogram sejmutý kamerou se snímačem s rozlišením 320 × 240 bodů; vlevo klasický, vpravo s využitím metody SuperResolution (odpovídá 640 × 480 bodům)