Wpływ różnych czynników na powstawanie obrazu termowizyjnego obrazu termowizyjnego

Uzyskanie wysokiej dokładności pomiarów temperatury wymaga zarówno obróbki rejestrowanego sygnału, jak i prawidłowej interpretacji otrzymanych termogramów. Promieniowanie własne badanego obiektu jest tylko składową całego promieniowania padającego na detektor podczerwieni. Do detektora dociera również promieniowanie atmosfery, odbite od obiektu promieniowanie tła oraz promieniowanie elementów układu optycznego i przeszukiwania.

Promieniowanie podczerwone wychodzące z obiektu zawiera zawsze dwie skła-dowe: promieniowanie własne obiektu i odbite promieniowanie tła. Pierwsza składo-wa zależy od temperatury i emisyjności obiektu, natomiast druga od parametrów otaczającego tła. Emitowane przez obiekt promieniowanie jest składową użyteczną, niosącą informacje o temperaturze i emisyjności, zaś promieniowanie odbite jest skła-dową zakłócającą. Obydwie składowe nie mogą być rozdzielone i detektor rejestruje ich wypadkową. Wpływ promieniowania odbitego jest pomijalnie mały, gdy emisyj-ność obiektu jest duża, w przypadku skóry człowieka wynosi ona 0,98 co powoduje, że promieniowanie odbitego tła możemy pominąć.

Promieniowanie podczerwone jest tłumione i rozpraszane przez atmosferę, oznacza to, że rejestrowane przez detektor promieniowanie jest funkcją odległości obiekt – termowizor oraz parametrów atmosfery. Wszystkie urządzenia termowizyjne pracują w zakresie „okien atmosferycznych”, gdzie transmisja jest stosunkowo wysoka. Jednak straty sygnału wywołane tłumieniem przez atmosferę, szczególnie przy większych odległościach, powodują wystąpienie dodatkowych błędów pomiaru.

Promieniowanie własne układu skanującego jest jedną ze składowych całego promieniowania, które rejestruje detektor. Jego istnienie jest konsekwencją faktu, że elementy optyczne absorbują promieniowanie, a zatem zgodnie z prawem Kirchhoffa muszą je także emitować. Samo istnienie tej składowej promieniowania nie wpływa na dokładność pomiaru, jest ona obniżona na skutek zmian tej składowej w czasie.

Nowoczesne termowizory są zawsze wyposażone w komputer z odpowiednim oprogramowaniem. Od użytkownika jest wymagane wprowadzenie kilku parametrów, które pozwalają na podwyższenie dokładności pomiaru temperatury. Model softwero-wej korekcji wpływu promieniowania tła, optyki układu przeszukiwania i atmosfery

wymaga od użytkownika wprowadzenia parametrów takich, jak emisyjność obiektu, odległość termowizor – obiekt, temperatury atmosfery i tła.

Aby uzyskać wyniki pomiarów niezależne od temperatury termowizora, promie-niowanie własne optyki i układu przeszukiwania, też powinno być skorygowane. Jest to uzyskiwane poprzez wbudowanie źródła odniesienia. Termowizor „patrząc” na nie, może się sam skalibrować. Najnowsza generacja urządzeń termowizyjnych umożliwia korekcję różnych czynników, zmieniających dokładność pomiaru [15].

Do rejestracji zdjęć termowizyjnych w zabiegach krioteraipii wiele ośrodków sto-suje kamerę termowizyjną firmy FLIR (np. model T335). Kamera pracuje w zakresie długofalowym na bazie niechłodzonego detektora mikrobolometrycznego. Matryca detektora posiada 76800 pikseli, co zapewnia dużą rozdzielczość wykonanych w pod-czerwieni zdjęć. Kamera posiada między innymi funkcję aparatu cyfrowego, dzięki czemu obraz w podczerwieni można nałożyć na zdjęcia rejestrowane w świetle widzialnym [5].

W tym modelu, zarejestrowane zdjęcia poddawane są obróbce w programie kom-puterowym FLIR QuickReport 1.2. Oprogramowanie oferuje podstawowe funkcję do analizy obrazu termowizyjnego (p. rys. 5.4) m.in. automatyczne dostrajanie, możli-wość zmiany palety barw oraz narzędzia umożliwiające dokładny odczyt temperatury z danego punktu, linii lub obszaru.

Rys. 5.4. Interfejs programu FLIR QuickReport

W celu poprawy dokładności pomiaru, program wymaga zaprogramowania pew-nych parametrów (p. rys. 5.5): wilgotności powietrza, emisyjności, temperatury powietrza i otoczenia oraz odległości obiekt – kamera.

Rys. 5.5. Parametry określające warunki pomiaru, zaprogramowane w kamerze termowizyjnej podczas badań

Celem pozyskania z zarejestrowanych termogramów jak największej ilości uży-tecznych informacji, obraz jest analizowany komputerowo. Program umożliwia auto-matyczne dostrojenie, dzięki czemu automatycznie wyregulowane są parametry obra-zu, dopasowujące skalę temperatur do rzeczywistych odnotowanych wartości. W ten sposób nie tracimy więc informacji o temperaturach skrajnych, wykraczających poza zakres skali. Przykładowe termogramy, w których zastosowano funkcję automatycz-nego dopasowania pokazano na rysunku 5.6.

(a) (b)

Rys. 5.6. Termogram i skala temperatur: (a) bez zastosowania funkcji automatycznego dopasowania, (b) z zastosowaniem funkcji automatycznego dopasowania

Funkcja automatycznego dopasowania rozciągnęła skalę temperatur między najwyższą a najniższą temperaturą zarejestrowaną na termogramie. W efekcie daje to możliwość precyzyjniejszego zlokalizowania obszaru o najniższej temperaturze, pod-czas gdy na podstawie obrazu początkowego można było wyciągnąć mylne wnioski, że lokalne minimum osiąga dużą wyższą temperaturę, jednocześnie obejmując znacz-nie większy obszar. Rozszerzeznacz-nie skali temperatur przy zachowaniu tej samej palety barw powoduje pogorszenie kontrastu obrazu. Skok temperatury o każdy kolejny

stopień Celsjusza wywołuje minimalną zmianę odcienia w palecie barw, co z kolei może powodować problemy z wykrywaniem niewielkich zmian temperatury.

Pojawiający się problem płynnej zmiany barw można zredukować dzięki opcji Paleta, umożliwiającej modyfikację skali odcieni.

Paleta barw Iron charakteryzuje się płynną zmianą barw od granatowej po białą. Wyróżnia się najmniejszą ilością barw pośrednich wśród palet przedstawionych na rysunku 5.7. Termogram w skali Iron jest mało kontrastowy, niewielkie zmiany tem-peratur są trudne do zaobserwowania, przez co obraz jest mało czytelny i trudny do analizy. Przy zastosowaniu palety barw Medical skala obejmuje większą ilość barw, zmieniających się w sposób skokowy. Uzyskany w ten sposób termogram ma dobry kontrast. Skokowa zmiana odcieni pozwala łatwo zlokalizować obszary o odmiennej temperaturze. Skala Rain stanowi rozwiązanie pośrednie pomiędzy dwoma skrajnymi typami palet, łącząc w sobie zalety ich obu. Posiada szeroką gamę barw, które zmie-niają się łagodniej niż w Medical, ale i na tyle wyraziście, że można wyróżnić poszczególne izotermy. Skok między barwami jest złagodzony przez odcienie pośred-nie, dzięki czemu zapewniona jest większa dokładność określenia temperatur. Skale można zmieniać w zależności od potrzeb, każda ze nich może się sprawdzać w innych zastosowaniach.

Iron Medical Rain

Rys. 5.7. Termogram w różnych paletach barw

Dokładne określenie temperatury danego obszaru wymaga zastosowania specjali-stycznych narzędzi, takich jak: latający punkt, punkt, linia i obszar. Narzędzie punkt pozwala określić temperaturę dokładnie w miejscu ustawienia kursora, linia oraz ob-szar wyznaczają temperaturę maksymalną, minimalną i średnią odpowiednio wzdłuż zaznaczonej linii lub w określonym obszarze prostokątnym (p. rys. 5.8 i rys. 5.9).

Rys. 5.8. Procedura wyznaczania punktu o maksymalnej temperaturze. Punkt o minimalnej temperaturze zaznaczono niebieskim trójkątem (), a o maksymalnej czerwonym ()

Rys. 5.9. Punkty o skrajnych temperaturach i linia je łącząca

Punkt o najniższej temperaturze można wyznaczyć przy użyciu funkcji latający punkt. W celu określenia temperatury średniej, dwa zlokalizowane poprzednio punkty o skrajnych temperaturach połączono prostą, wzdłuż której program oblicza średnią wartość temperatury.

Istnieje wiele firm produkujących kamery termowizyjne, które są wykorzystywane w medycynie, ale również w innych dziedzinach nauki. Między innymi są to przykła-dowo firmy MICRO-EPSILON MESSTECHNIK GmbH & Co. KG [16], FLUKE [17], SONEL [18].