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热成像基础知识

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热成像基础知识

发布日期:2018-09-04 作者: 点击:

1800年,英国的天文学家William Herschel用分光棱镜将太阳光分解为从红色到紫色的单色光,依次测量不同颜色光的热效应。他发现当水银温度计移到红色光边界以外温度反而比红光区更高。


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后证明,太阳光谱中,红光的外侧必定存在看不见的光线,这就是红外光。红外光的波长就在760nm到1.4mm之间。


那么,红外光与热成像,究竟是什么关系呢?



01
  热成像原理


其实,自然界中的一切物体,只要它的温度高于绝对温度(-273°C)就存在分子和原子的无规则运动,其表面就会不断地辐射出红外光。热成像,则主要采集热红外波段(8μm-14μm)的红外光,从而探测物体发出的热辐射。探测到热辐射后,再转化为灰度值,利用各物体的灰度值差异来成像,从而发现和识别目标。


如下图所示,车的左边部分是可见光照片,右边部分是热成像照片。可以看到,热成像图像通过不同灰度差异,来呈现各部位表面温度不同的车。

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            图1:可见光与热成像成像对比


02
 
  热成像摄像机介绍


基于以上的热成像成像原理,热成像摄像机就运用而生了。和普通摄像机原理类似,热辐射相当于可见光,先通过镜头到探测器,在处理图像,最后输出码流,形成可供人眼观察的视频图像,如下图:

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             图2:热成像工作原理


在整个成像过程中,热成像镜头和红外探测器,是热成像摄像机的重要部件。


热成像镜头:

热成像镜头用的是锗镜头,高纯锗单晶具有高的折射系数,可以把可见光和紫外光挡在外面,只让红外光通过。

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图3:经锗镜头过滤,只通过红外光


红外探测器:

热成像探测器分为制冷型探测器和非制冷型探测器。

制冷型设备灵敏度高、响应速度快、图像清晰,但是需要进行低温制冷,导致体积较大且价格昂贵。一般应用于军事行业。

非制冷型设备灵敏度略低,但基本符合民用要求,且无需低温制冷,价格只有制冷型设备的十分之一到几分之一。目前,主流非制冷型探测器一般采用氧化钒或者多晶硅。



03
  热成像摄像机关键指标


介绍了热成像摄像机原理及一些关键部件,我们再来看看有哪些关键指标会影响到摄像机性能。


视场角:

以镜头为顶点,以被测目标的物像可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角,称为视场角。

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图4:视场角定义


视场角与焦距的关系:一般情况下,视场角越大,焦距就越短

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图5:视场角与焦距的关系


分辨率:

探测器分辨率是衡量探测器优劣的重要参数,表示探测器焦平面上有多少个单位探测元。

目前主流的分辨率有160×120、384×288、640×512、1024x768等。其他条件不变的情况下,分辨率越高,则成像越清晰。


空间分辨率:

空间分辨率(IFOV)是指图像中可辨认的临界物体空间几何长度的最小极限,即对细微结构的分辨率。IFOV一般由像元尺寸(d)与焦距(f)的比值得出,即IFOV=d/f,比如,热成像设备焦平面的像元尺寸为17μm,配100mm焦距镜头,则其FOV=17/100=0.17mrad。单位距离相同时,IFOV 越小,单个像元所能检测的面积越小,单位测量面积上由更多的像素所组成,图像呈现的细节越多,成像越清晰。


NETD(噪声等效温差):

NETD也称为热灵敏度,是设备从背景中精确分辨出目标辐射的最小温度差异的能力。例如:NETD≤30mk(@25°C,F#=1。0),表示假设被测物的表面温度为25℃,红外热像仪能探测到的最小的温度变化为0。03℃。所以,在一定程度上,NETD值越小,图像质量越好。其重要性相当于可见光的信噪比。

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MRTD(最小可分辨温差):

MRTD的客观测量方法是建立在主观测量方法的基础上。主观MRTD测量是根据MRTD的定义实现的,将具有不同空间频率、高宽比为7:1的四杆图案放置于均匀的背景中。目标与背景的温差从零逐渐增大,在确定的空间频率下,观察者刚好能分辨出四杆图案时,目标与背景之间的温差称为该空间分辨率的最小可分辨温差MRTD。

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图6:MRTD四杆图

它既反映红外热像仪的温度灵敏度,又反映了其空间分辨率,还包括了观察者主观影响。



04

  海康威视热成像

图像清晰:

  • AGC(自动增益调节)开启AGC后可以提升图像清晰度

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  • DDE(增强图像细节)开启DDE后可以使图像更加细腻,增加图像细节

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  • 3DDNR(3D数字降噪)开启3D DNR后,可以有效去除画面中的噪声,提升画面质量

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智能先进:

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  • 基于深度学习的Smart行为分析:支持区域入侵、越界入侵、进入/离开区域等多种精准的智能功能,可有效对人、车、动物进行属性分析,过滤多种误报因素,提升智能报警准确率

  • 基于深度学习的烟火识别算法:以海康威视安防大数据为基础,采集全球10多万个不同气候环境的样本进行学习,从而得到更高精度的烟火识别算法;采用裸数据每帧实时检测,自适应快速动态检测,实现对烟、火发现更快速、报警更准确

  • 自主研发船只检测算法:根据大量船只、浪花数据样本,进行精准建模,支持船流量统计,并对船只高度、长度和行驶速度进行检测,可有效去除浪花误报

 

测温高效:

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  • 高精度、更稳定、更均匀:通过建立精准、合理的测温模型,严格的标定、检测标准化流程,有效提升测温的精度,可达±2℃或量程的±2%(取最大值),测温温差波动小,稳定性更好。

  • 双光辅助判断:采用双光融合技术,集结热成像和可见光自身特点,在快速测温时,叠加图像中的关键信息,方便判断。

  • 多规则灵活布控:支持点、线、框多种精确测温规则设置,满足对关键区域、特殊点位的测温需求,有效提升测温效率。



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