工业测量系统原理与应用 案例|FLIR超帧技术

一种扩大热图像有效场景亮度，同时保持其热对比度的技术。

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什么样的热图像是好图像？好图像就是呈现高对比度，同时显示最细微温差的图像。

热像仪可以做到这一点，而且可以定义温度范围。

原理简介

例如，对于室温上下的温度，操作人员会将热像仪设定在-20°C至+50°C的典型温度范围。

所有温度超过此范围的物体，其最亮或最热的部位会显示为饱和颜色；温度低于此范围的

物体一般噪点较多。

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因此，如果物体的最高温度是+100°C，那就必须选择+20°C至+120°C的范围。在这种情

况下，热像仪会显示这个+100°C物体的好图像，但这幅图上的室温物体的细节对比度不如

-20°C至+50°C的第一幅图像。

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合乎逻辑的做法是将两幅图像整合。解决方案可以是，让热像仪以第一个室温范围“拍摄”

一幅图像，然后以更高的温度范围“拍摄”第二幅图像。用智能方式结合这两幅图像，所

生成的优质图像将包含两幅图像的最佳部分。这就是超帧原理。

问题和应用

处理极端温度时，问题会变得复杂：寒冷冬夜里站在火焰旁的人就是典型的例子。图像中

最亮或最热的部分会饱和，与此同时，场景中最暗或最冷的部分在图像上会显示成黑色或

噪点。当一个物体显得饱和或多噪点时，会产生两个问题：图像细节丢失，该场景部位的

测温值失真。

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高级热成像和测温技术通常需要获取温度范围非常宽广的场景图像或图像序列。在研发用

途的热成像中，饱和问题会令人非常烦扰，因为此类用途需要温差非常巨大的场景成像或

高速数字视频，比如引擎监控、火箭发射或一次!@#$%^&*。这个问题在中波红外波段尤为严重，

可使用超帧技术解决。

图1 - 4：极端温度下的一组焊接连续镜头：积分或曝光时间越短，温度范围就越高，黑色

或噪点区域也越大。

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最细微温差，可以通过改变曝光值或热成像系统中所谓的积分时间来控制。我们把积分时

间这个术语定义为热像仪内部热成像探测器生成一个单帧的曝光时间。

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以较长的曝光时间来操作热像仪能够提高灵敏度，但与此同时，这也限制了热像仪的测温

范围：高温物体如此明亮，以至于它们超出了热像仪的规定测温范围。如果一个场景或一

组连续镜头包含需要同时测量的极端温差，热像仪的曝光时间应大大缩短。工业测量系统原理与应用但由于超出了

规定的测温范围，这种缩短本身会造成场景较冷区域温差测量的能力下降，导致这些区域

在屏幕上显示为黑色或噪点，如图1至4所示。

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有没有一个曝光时间能够安全涵盖一个场景的温度变化，并精确测量该场景的所有冷热物

体？没有，但有另一个选项。

解决方案：FLIR超帧技术

FLIR超帧技术指的是，在一个快速的连续时间内，以逐渐加快的曝光时间拍摄一组4幅具

有代表性的场景图像（子帧），然后重复这个循环。每次循环的子帧被合并为一个超帧，如

我们所知，这个超帧结合了曝光时间不同的4个子帧的最佳特性。这一过程称为叠加。采

用这种方式，叠加算法生成的超帧图像对比度高，温度范围广。算法的原理很简单：如果

第一个子帧的某个像素饱和了，算法就会从下一个子帧选择相应的像素。如果该像素符合

要求，算法就停止运作，否则它会挑选下一个子帧中合适的像素，以此类推。工业测量系统原理与应用所有像素值

都转换为最终的超帧图像的温度或辐射单位。

图1、2、3用两幅曝光时间为2毫秒和30微秒的比奇空中霸王双螺旋桨飞机图像展现了超

帧技术。这些图像是采用高性能中波红外（MWIR）热像仪系统FLIR S C7000以每秒170帧、

640x512像素的全帧尺寸拍摄。这两幅图像间隔时间短暂（约40毫秒），意味着场景并未发

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