将动态空间 3D 和热数据相结合的高速热成像
德国研究人员开发了一种用于 3D 物体检测的摄像机系统
位于耶拿的 Fraunhofer IOF 的研究人员开发了一种摄像机系统，利用两台高速、高分辨率单色摄像机和一个 GOBO 投影仪对物体进行三维检测。除了高速空间过程外，温度变化在典型的动态应用中也能起到一定的作用，例如碰撞测试或安全气囊的展开。耶拿研究团队最近对其系统进行了升级，在一个联合测量项目中采用了 FLIR 的制冷型高性能红外热像仪，目的是打造一个真 3D 热成像系统，能够以高达每秒 1000 帧的速度进行录制。
Fraunhofer IOF - 光学解决方案
位于耶拿的弗劳恩霍夫应用光学与精密工程研究所 (Fraunhofer IOF，www.iof.fraunhofer.de) 在光子学领域开展面向应用的研究，并开发光控制领域的创新性光学系统 — 从生成、操控一直到应用。该研究所的研究范围涵盖了
从光机和光电系统设计，到客户特定解决方案和原型生产的整个光子流程链。自 2019 年以来，上述流程链中还包含了一个配备 FLIR 科研用热像仪的高速 3D 热成像系统。
3D 热成像系统
IOF 团队早在 2016 年就开发了一种高速 3D 摄像机系统。该系统由两台立体布置的高速黑白摄像机和一个自主开发、用于主动照明的 GOBO 投影仪组成。研究人员现已在该系统中增加了一台红外热像仪。他们采用了一台 FLIR X6900sc SLS LWIR 红外热像仪，能够以高达 1000 Hz 的帧率运行，分辨率为 640 × 512 像素。
应用领域和目标
该系统的目标是将高度动态的空间 3D 和热数据结合起来。极高速过程，如移动中的运动员、碰撞测试或安全气囊展开等，不仅会显示表面形状的快速变化，还包括局部温度的变化。过去，要同时捕捉这些变化是不可能的。Fraunhofer IOF 全新的高速 3D 热成像测量系统首次实现了这一目标。
该系统的工作原理
该系统基于两台单色相机，在可见光谱 (VIS) 内很灵敏。它们能以超过 12,000 Hz 的帧率和 100 万像素的分辨率运行 — 尽管在较低的分辨率下可以实现更高的帧率。然而，这两台相机还不能以需要的质量生成有意义的 3D 数据。此外，还需要一个复杂的照明系统来投射超高速条纹图案序列。这些图案类似于传统的正弦条纹，但这些条纹的宽度是非周期性变化的。
为了达到所需的效果，他们采用蒸汽涂覆法在玻璃板上涂覆了铬金属条纹。然后，让该玻璃板在投影仪的光学装置前方旋转，从而提供两台摄像机的特定像素分配所需的条纹图案。这种原理叫做 GOBO (GOes Before Optics) 投射。
简单说来，将这种重建的 3D 数据与 FLIR X6900sc SLS 高速红外热像仪的 2D 数据相结合，就生成了三维高速热图像。
FLIR X6900sc SLS 在长波红外范围内运行，因此在 GOBO 投影仪的灯所辐射的可见光和近红外波长范围内不敏感。由于所投射的非周期正弦图案对物体的加热也微不足道，因此 GOBO 投影仪不影响热成像。
测量和数据计算
所有三台摄像机在测量过程中同时记录图像数据。来自黑白摄像机的数据与 GOBO 投影仪的非周期性投射条纹相结合，产生真正的 3D 图像，通常生成一幅 3D 图像需要计算 10 个图像对组成的序列。这种“3D 重建”可以产生空间形状，并在此形状上叠加 FLIR LWIR 红外热像仪的热图像数据，以便通过映射过程为空间坐标分配温度值。
校准
当然，这种由 VIS 摄像机和 LWIR 热像仪组成的系统必须在测量之前进行校准。为此，IOF 团队使用了校准板，板上有空心和实心圆组成的规则网格。为了确保即使在均匀的温度分布下也能在 VIS 和 LWIR 系统中检测到这些结构，为这些圆和背景选择了反射率（VIS）和发射率（LWIR）差别极大的材料。耶拿的研究人员通过使用印刷电路板找到了解决这个问题的方法。为此，他们开发了一种非常特殊的电路板，由规则的空心和实心圆网格，而不是电气元件之间的电气连接组成。
测量结果：安全气囊和篮球
该系统目前已在各种场景下进行了测试。其中包括篮球运动员的运球（不仅球会发生变形，还会产生热量）。另一个可能的用途是测量气囊展开时的温度发展和空间表征。该系统在 3 米距离外记录了半秒钟的高速过程。通过将三维数据与热成像信息结合，不仅可以清楚地看到安全气囊因展开而发生的温度变化，还可以知道具体时间点和空间坐标点的温度。这些信息有助于降低和防止与安全气囊展开相关的驾驶员受伤风险。
结论和展望
IOF 研究团队的 Martin Landmann 确信：高分辨率 3D 数据和快速热成像的结合有着广阔的应用前景。“例如，通过观察碰撞测试，研究变形和摩擦过程，或极快的热相关事件，例如因安全气囊触发而产生或在开关柜中发生的爆炸，都可以从中获得有益的信息，”Martin Landmann 解释说。他强调，该系统还在不断开发和优化中。因此，我们可以期待将来能够看到 Frauhofer IOF 团队取得更多创新研究成果。
（图片来源：Fraunhofer 应用光学与精密工程研究所 IOF、FLIR）
