Co chceme od termokamer, aby se daly používat masově

Shrnutí

Termokamera, má-li být plnohodnotná v oboru stavebnictví, musí umožnit hromadné uložení veš­keré relevantní informace z množiny všech pořízených snímků. Minimálně tedy jasových teplot všech pixelů každého termosnímku, u dražších kamer také surových R,G,B hodnot všech pixelů do­provodného vizuálního snímku spolu s údaji o expozici. A to bez jakýchkoliv operací (jako je vypl­ňování názvů souborů) nad jednotlivými termosnímky z množiny. Termokamery, které to nedokáží ani se softwarem k nim dodávaným či zdarma dostupným, by neměly být pořizovány z veřejných prostředků.

Podrobné zdůvodnění

Co zaznamenává termokamera

Termokamery měří teplotní odchylku pixelů matice umístěné v obrazové rovině jejich objektivu. Teplotní odchylka je dána tím, že na pixel dopadá větší či menší zářivý tepelný tok. Oproti běžným digitálním fotoaparátům je situace v termokameře složitá, protože na záznamovou matici září nejen scéna zobrazovaná objektivem, ale sálá na ni také celá dutina kamery mezi objektivem a maticí. Sáláni dutiny se v průběhu měření mění, zejména pokud kamera sleduje zvlášť chladné nebo zvlášť teplé objekty. Aby bylo možné vypočítat, kolik sálání přichází jen ze zkoumané scény, musí se bez­prostředně před snímkem oné scény objektiv na moment zakrýt závěrkou známé teploty – ka­mera se krátce kalibruje, což se projeví výpadkem kontinuálního snímání a slabým cvaknutím. Termoka­mery to občas provádějí samy, ale mají též tlačítko, kterým lze ka­libraci provést kdykoliv – jen je nutno, aby je uživatel znal a použil před každým snímkem, pokud proběhlo od minulé kalibrace více než deset sekund.

Standardním výstupem z „termosnímku“ je tzv. jasová teplota jednotlivých elementů scény, odpoví­dajících pixelům detekční matice. To je teplota, jakou by mělo černé těleso, které by na objektiv sá­lalo týmž zářivým tokem v oboru vlnových délek, který kamera zaznamenává. Onen obor zahrnuje obvykle většinu z rozmezí 7 μm až 15 μm; toto pásmo, či spíše užší rozmezí 8 μm až 14 μm ozna­čujeme akronymem LWIR (LongWave InfraRed). Kon­verze signálu z jednotlivých pixelů (aneb mikrobolometrů, obvykle je to jejich rezistance) na jasovou teplo­tu je tajemstvím výrobce kamery. Nebyla-li kalibrace prove­dena těsně před snímkem, nejsou jasové teploty scény věrohodné, rozdíly jasových teplot mezi jednotlivými částmi scény mohou být ale i tak téměř správné. Nic více než ja­sové teploty ter­mokamera zjistit nemůže.

Jasové teploty scény a skutečné teploty látek

Jasové teploty se od skutečných teplot povrchů liší tím, že reálné předměty nejen samy sálají, ale také se na nich nějak odráží či rozptyluje sálání z okolí. A ono okolí může mít teploty velmi roz­dílné od zkoumaných předmětů. Odraz může být dokonale zrcadlový, to je případ hladkých lesk­lých po­vrchů, jako jsou okenní tabule. Nebo může být poněkud rozmazaný. V krajním případě může jít o dokonalý rozptyl, kdy jasová teplota vůbec nezáleží na směru, odkud předmět sleduje­me; vzdáleně se tomu se blíží hrbaté povrchy. jako jsou některé omítky nebo čerstvý sníh.

Pro úplnost: záření daného směru se může na povrchu předmětu buď pohltit, vrátit od něj pryč, nebo jím projít dále. Podíly tomu odpovídající se nazývají absorptance (pohltivost), reflektance (odrazivost) a transmitance (pro­pustnost), jejich součet je jednička. Předmět dané teploty může také takové záření sám vydávat, jeho množství je rovno součinu pohltivosti a množství záření, jaké by vydávalo černé těleso. Pohltivost je totožná s emitancí, „schopností vyzařovat“, čili číslem od nuly (které platí např. pro tenkou vrstvu vzduchu) do jedné (ta platí pro „černé těleso“, např. malý otvor do velké dutiny). U pevných látek lze transmitanci téměř vždy zanedbat, vý­jimkou jsou tenké vrstvy čistých uhlovodíků, např. polyetylénu či polystyrénu, a ovšem také polovodičů, z nichž se vyrábějí objektivy termokamer. U jiných běžných předmětů je součet emitance a reflektance roven jedné.

Existují situace, kdy má celé okolí jednu jedinou teplotu, jen zkoumaný předmět má teplotu od­lišnou. To může nastat v místnosti v hloubi pasivní budovy udržované na konstantní teplotě, pokud si osamělý výzkumník namíří kameru na svou tvář.

V jiných případech nelze okolí připsat jednotnou teplotu. Jasové teploty předmětů pak záležejí nejen na jejich teplotě a odrazivosti, ale také na charakteru oné odrazivosti (zrcadlení nebo rozptyl) a na tom, co se v nich vlastně odráží. Je-li to bezoblačné nebe, pak je jasová teplota předmětu značně nižší než teplota skutečná. Jak počítat skutečné teploty (a z nich tepelné toky pláštěm bu­dovy), viz autorovu disertaci. Při malých teplotních rozdílech lze užít přibližného vztahu Tjasová = e Tskutečná + (1-e) Tokolí, přičemž e je směrová emitance předmětu. Ve vztahu vystupuje jasová teplota okolí, které se v předmětu odráží (např. zasklení oken odráží často kus oblohy), tu můžeme leckdy též změřit termokamerou . Skutečné teploty všech předmětů v takovém obecném případě žádný, ani sebedoko­nalejší software nemůže z jednoho snímku zjistit. Je pak lepší rezignovat na automatické odha­dování skutečných teplot a chtít od kamery jen jedno, totiž aby sdělila teploty jasové. Udělá to, pokud se jí či následujícímu softwaru zadá, že má brát tzv. emisivitu jako maximální, rovnu 1 – tj. brát všechny předměty jako černá tělesa, s nulovou odrazivostí a nulovou propustností pro obor LWIR.

Nutný a postačující výstup z původních termosnímků

V takové situaci není potřeba se snímky nijak laborovat, jen z původních souborů, v nichž jsou data uložena, vypočítat a v dokumentované formě (čitelné pro lidi nebo pro počítače) zapsat jasové teploty odpovídající jednotlivým pixelům. Danou úlohu by měl software dodávaný ke kameře umět zvládnout pro celou sérii snímků naráz. Z matice (tabulky) jasových teplot lze pak různými programy vytvářet obrázky vizualizující ony jasové teploty.

Doplňkem, nikoliv alternativou může být, aby software poskytovaný ke kameře sám vytvořil nerozmazané bitmapové soubo­ry s barevně kódovanými teplotami, v předem zvoleném teplotním rozmezí a teplotní škále odpoví­dající předem zvolené paletě barev – a to hromadně pro celou zadanou množinu snímků. Vhodná vol­ba teplotní škály a palety umožní, aby teploty byly např. s krokem čtvrt kelvinu či půl kelvinu z ba­revně kódovaného snímku přímo patrné, je-li stupnice teplot a barevná paleta uvedena vedle snímku. Jiná volba teplotní škály a palety pak může jasové teploty naznačovat spojitou škálou jasů, takže je snímek přehledný, napodobuje černobílou fotografii, i když vizualizuje „LWIR jasy“ místo jasů, které vnímáme očima. Je praktické, když okraje palety nápadně udávají teploty pod a nad zvo­leným teplotním rozmezím.

Alternativou takový obrazový výstup není jelikož je žádoucí, aby v jednom dokumentu mohly být všechny termosnímky zobrazené jednotným způsobem nezávisle na tom, kolika kamerami od kolika výrobců byly pořízeny.

Požadavky na doprovodné vizuální snímky

Je-li termokamera vybavena i fotoaparátem, měl by její software umět uložit z množiny původních souborů hromadně také všechny světelné snímky, a to v plném rozlišení čipu CCD či CMOS. Žádou­cí by byla data „raw“, tj. A/D hodnoty R, G, B pixelů, jak je to dnes běžné nejen u digitálních zrca­dlovek. Ta­ková data, spolu s údaji o expozici, umožňují radiometrické vyhodnocení snímků ve svě­telném obo­ru. (O základním konverzním programu pro běžné vizuální kamery dcraw a navazujícím krokům viz adresář k radiometrickému programu raw2lum.) Při snímání ve dne, zejména pak na slunci, odhad světelného toku dopadajícího na různé po­vrchy a toku jimi pohlcovaného usnadňuje interpretaci termosnímků. Současná znalost kvantita­tivních údajů o „jasech“ dlouhovlnných (sálání předmětů) a krátkovlnných (jasy světla jimi odrá­ženého) je při termografii neprováděné za temné noci důležitá.

Termografii budov, jde-li nám o zimní únik tepla z interiéru ven, je ale potřeba dělat v noci, aby se neu­platnilo solární zahřívání povrchů. Obsahuje-li kamera i fotoaparát, pak by měl být schopen až několikasekundových expozic, aby dostatečně zobrazil i exteriérové scény bez umělého osvětlení. Náhrada pří­davným samostatným fotoaparátem je nepraktická, protože nezajišťuje automatické spá­rování ter­mosnímků a světelných snímků, natož pak automatické vyznačení, která oblast světelného snímku je zobrazena termokamerou – to druhé by bylo možné jen tehdy, kdyby termokamera i fo­toaparát byly pevně spojeny a namířeny týmž směrem.

Označování a formát výstupních obrazových souborů: nikdy ne jpg

Ukládání rozličných souborů vytvořených z originálního výstupu kamery by mělo být automa­tizované tak, aby se záběry různě zpracované lišily jen zadaným doplňkovým písmenem v názvu. Jde-li o bitmapy, pak není vyhovujícím formátem jpg, protože ten scénu rozmazává, neudává pů­vodní hodnoty jednotlivých pixelů. Formát jpg by se v termografii nikdy neměl používat, je to ten nej­horší možný – nevelký počet pixelů na řádce záznamové matice (přičemž rozdíl mezi tím, je-li 160, 320, nebo třeba až 640, se velmi projevuje na ceně kamery) fakticky redukuje na polovinu nebo i hůře. Pro web i textové editory je nejvhodnější formát png, který poskytuje maximální kompresi infor­mace, aniž by ji zkresloval. Software kamery může místo něj ukládat nekompri­mované formáty bmp či ppm, na png je převedou běžné obrazové konvertory, např. ze systému ImageMagick.

Takže pro nejjednodušší základní výstup termoka­mery, která obsahuje i fotoaparát, se z každého originálního souboru má vytvořit alespoň trojice snímků: vizuální, s pestro­barevnou kvantitativní škálou, a se spojitou přehlednou škálou.

Bez možnosti dávkového zpracování jsou termokamery jen drahými hračkami pro vyvolené

V optimálním případě by software ke kameře měl umět dávkově zpracovat všechny originální sou­bory ve zvoleném adresáři. Parametry pro zpracování termosnímků by byly jen označení zvolené palety, požadované teplotní rozmezí, které se má zobrazit, přídavné písmenko přidávané k názvu ukládaných souborů. (Navíc pak parametr, který by zna­menal, že světelný snímek se už ukládat ne­musí, když už uložený je.) Takto elementární „neklikací“ soft­ware by měl být k dispozici pro všechny platformy (linuxové, Mac, Windows nejrůz­nějších genera­cí).

„Klikací“ software může být užitečný pro interpretování snímků. Nejjednodušší a většinou postaču­jící aplikace je vý­počet průměrné jasové teploty v nějakém obdélníku. Z té může vyjít odhad veliči­ny U pro okno včetně rámů a osazení v budově. Pro základní přehled desítek či stovek záznamů z kamery, po­řízených např. během jedné noci, je ale klikací software zbytečný. Pohodlí a rychlosti dávkového zpracování se může přiblížit jen tehdy, když velmi rychle poskytne totéž, jako by po­skytlo zadání něko­lika parametrů na příkazový řádek – zvolení palety a teplotního rozmezí pro všechny snímky, kte­rým se přiřadí emisivita 1,00, a jejich vytvoření jedním kliknutím. Lepší oproti dávkovému zpra­cování může být jen v případě, kdy se pro srozumitelnost jednobarevně (např. šedě) zobrazených in­frasnímků hodí zvolit u každého po­někud jiný rozsah teplot – ale nabízí-li software pro takovou úlohu nějaké autoškálování, pak totéž může vykonat i při dávkovém zpracování.

Dávkové zpracování by umožnilo, aby po nahrání celé sady souborů z termokamery vznikl jediným skriptem soubor html, který se vystaví na internetu... Ten se pak dá, až na to někdo bude mít čas, na­táhnout do libovolného editoru a jednotlivé záběry v něm okomentovat či dále interpretovat. A to buď přímo ze zobrazených jasových teplot, nebo, proč ne, i s podporou klikacího softwaru, kterým by se zvláště zajímavé snímky dále analyzovaly. Nicméně už automaticky vygenerovaná trojice „světelný snímek – šedý termogram – pestrobarevný termogram udávající teploty s krokem půl stupně“ řekne komukoliv, kdo dané budovy zná, téměř vše, co ho může zajímat. Příkladem budiž přehled exteriéru a okolí gymnázia v Otrokovicích.

(Rozpracovaným příkladem je pak noční termografická procházka sídlištěm v Novém Lískovci v Brně, která má ale na dvě stovky původních snímků, a jen její základní zpracování klikacím soft­warem trvá několik dní, místo aby trvalo několik minut, viz první fázi bez komentářů http://amper.ped.muni.cz/jenik/LW-infrared/novy_liskovec/8-9.3.2012/all3.htm.)

To, že dávkové zpracování výrobci termokamer nenabízejí, vede k žalostnému stavu, že termoka­mery všech institucí leží celé zimy na policích, místo aby jimi byly už dávno nasnímané noční ulice všech obcí... Z automaticky uložených snímků by si každý mohl prostudovat tepelné vlastnosti domu, který užívá, a porovnat je s domy okolními. Žádného specialistu-termografa by k tomu nepo­třeboval, ani žádný firemní software.

Jan Hollan, AdMaS - EGAR, únor-duben 2013

1/3