在我們使用紅外熱像儀拍攝場景的時候，最理想的拍攝結(jié)果是獲得既呈現(xiàn)高對比度，又顯示細微溫差的圖像，但這些受溫度范圍的影響，那么該如何平衡二者之間的關(guān)系呢？以下講一下它的解決方案——超幀技術(shù)。

超幀原理

對于室溫上下的溫度，操作人員會將熱像儀設(shè)定在-20°C至50°C的典型溫度范圍。所有溫度超過此范圍的物體，其最亮或最熱的部位會顯示為飽和顏色；溫度低于此范圍的物體一般噪點較多。

因此，如果物體的最高溫度是100°C，那就必須選擇20°C至120°C的范圍。在這種情況下，熱像儀會顯示這個100°C物體的高質(zhì)量圖像，但這幅圖上的室溫物體的細節(jié)對比度不如-20°C至50°C的第一幅圖像。

因此，想要獲得最佳的熱圖像，合乎邏輯的做法是將兩幅圖像整合。解決方案可以是，讓熱像儀以第一個室溫范圍“拍攝”一幅圖像，然后以更高的溫度范圍“拍攝”第二幅圖像。用智能方式結(jié)合這兩幅圖像，所生成的優(yōu)質(zhì)圖像將包含兩幅圖像的最佳部分，這就是超幀原理。

實際應(yīng)用中面臨的問題和選擇

處理極端溫度時，問題會變得復(fù)雜：寒冷冬夜里站在火焰旁的人就是典型的例子。圖像中最亮或最熱的部分會飽和，與此同時，場景中最暗或最冷的部分在圖像上會顯示成黑色或噪點。當一個物體顯得飽和或多噪點時，會產(chǎn)生兩個問題：圖像細節(jié)丟失，該場景部位的測溫值失真。

高級熱成像和測溫技術(shù)通常需要獲取溫度范圍非常寬廣的場景圖像或圖像序列。在研發(fā)用途的熱成像中，飽和問題會令人非常煩擾，因為此類用途需要溫差非常巨大的場景成像或高速數(shù)字視頻，比如引擎監(jiān)控、火箭發(fā)射或一次爆炸。這個問題在中波紅外波段尤為嚴重，可使用超幀技術(shù)解決。

圖1 - 4：極端溫度下的一組焊接連續(xù)鏡頭：積分或曝光時間越短，溫度范圍就越高，黑色或噪點區(qū)域也越大

想要盡可能顯示最細微的溫差，可以通過改變曝光值或熱成像系統(tǒng)中所謂的積分時間來控制。我們把積分時間這個術(shù)語定義為熱像儀內(nèi)部熱成像探測器生成一個單幀的曝光時間。

以較長的曝光時間來操作熱像儀能夠提高靈敏度，但與此同時，這也限制了熱像儀的測溫范圍：高溫物體如此明亮，以至于它們超出了熱像儀的規(guī)定測溫范圍。如果一個場景或一組連續(xù)鏡頭包含需要同時測量的極端溫差，熱像儀的曝光時間應(yīng)大大縮短。但由于超出了規(guī)定的測溫范圍，這種縮短本身會造成場景較冷區(qū)域溫差測量的能力下降，導(dǎo)致這些區(qū)域在屏幕上顯示為黑色或噪點，如圖1至4所示。

有沒有一個曝光時間能夠安全涵蓋一個場景的溫度變化，并精確測量該場景的所有冷熱物體？沒有，但有另一個選項。

FLIR超幀技術(shù)的優(yōu)勢

FLIR超幀技術(shù)指的是，在一個快速的連續(xù)時間內(nèi)，以逐漸加快的曝光時間拍攝一組4幅具有代表性的場景圖像（子幀），然后重復(fù)這個循環(huán)。每次循環(huán)的子幀被合并為一個超幀，如我們所知，這個超幀結(jié)合了曝光時間不同的4個子幀的最佳特性，這一過程稱為疊加。采用這種方式，疊加算法生成的超幀圖像對比度高，溫度范圍廣。算法的原理很簡單：如果第一個子幀的某個像素飽和了，算法就會從下一個子幀選擇相應(yīng)的像素。如果該像素符合要求，算法就停止運作，否則它會挑選下一個子幀中合適的像素，以此類推。所有像素值都轉(zhuǎn)換為最終的超幀圖像的溫度或輻射單位。

圖1：曝光時間為2毫秒的圖像

曝光時間為2毫秒的圖像，場景的每個部分都有良好的對比度，但飛機的排氣系統(tǒng)除外，這個部位溫度太高，以至于這部分的圖像發(fā)生飽和。

圖2：曝光時間為30微秒的圖像

相反地，曝光時間為30微秒的圖像沒有任何飽和，清晰地展現(xiàn)了排氣系統(tǒng)，但其余的場景溫度過低，以至于無法清楚看到系統(tǒng)本底噪聲以上的部位。

圖 3：FLIR超幀技術(shù)生成對比度高、溫度范圍廣的圖像

用正確的算法結(jié)合這兩幅圖像，能夠生成對比度高、溫度范圍廣的圖像。

圖1、2、3用兩幅曝光時間為2毫秒和30微秒的對比空中霸王雙螺旋槳飛機的熱圖像，生動展現(xiàn)了FLIR超幀技術(shù)的優(yōu)勢。這些圖像是采用高性能中波紅外（MWIR）熱像儀系統(tǒng)FLIR SC7000熱像儀以每秒170幀、640512像素的全幀尺寸拍攝。這兩幅圖像間隔時間短暫（約40毫秒），意味著場景并未發(fā)生大變化（螺旋槳的運動幾乎無法察覺）。

綜上所述，F(xiàn)LIR超幀技術(shù)的原理是，以循環(huán)的方式逐幀改變熱像儀的曝光時間或積分時間，將生成的子幀組合成溫度范圍大為擴展的單一超幀，從而拍攝出具有極端溫差的場景。采用超幀技術(shù)需要一些技術(shù)先決條件，幸運的是FLIR SC系列等高速與定格研發(fā)類紅外熱像儀和FLIR專業(yè)圖像處理軟件都搭載一體化FLIR超幀功能。FLIR超幀技術(shù)大大提高了熱成像系統(tǒng)的有效場景亮度，同時維持了熱對比度，即便是在低溫條件下。