CN102281401B - 热图像摄像机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热图像摄像机，其被设置利用至少两个不同的灵敏度用于交替读出和用于把至少两个依次读出的较高和较低灵敏的图像结合的装置，其中把图像中间存储单元构造为不仅用于较高灵敏的而且用于较低灵敏的原始图像（B）的共同的累加器（8），并在其输出端处提供共同的输出图像（A），其中给累加器（8）前置图像加权单元（12），用于利用可调整的百分比加权函数（G）对交替地从探测器单元（1）读出的较高和较低灵敏的原始图像（B）逐像素地加权和利用与可调整的百分比加权函数互补的加权函数（1-G）对在累加器（8）中中间存储的输出图像（A）逐像素地加权，以及为连续地更新输出图像（A），相加地叠加两个图像（B;A）。
Description
技术领域
本发明涉及一种热图像摄像机，具有基于像素的探测器单元、处理器单元和图像中间存储单元，其中所述探测器单元被构造用于利用至少两个不同的灵敏度对在其上成像的情景的热辐射进行基于像素的拍摄，并交替地读出较高灵敏的和较低灵敏的图像，并且所述处理器单元被设置用于控制读出、预处理、中间存储以及把至少两个依次从探测器单元读出的较高和较低灵敏的图像结合为共同的输出图像。
背景技术
热图像摄像机由一系列制造商以不同的实施来提供。“热图像（Wärmebild）”通常被理解为由红外或热辐射的光学成像所产生的图像。在技术上，热图像可以在近红外区域中通过例如CCD或CMOS传感器的对可见光常用的技术来产生。在中和远红外区域中的热图像通过“微测辐射热计”来产生，其中所述微测辐射热计作为由温度灵敏的电阻组成的矩阵来布置，并且如果由于制造公差以及由于由偏置偏压（Bias-Vorspannung）所产生的自热而引起的其信号不均匀性被校正，那么在其整体上提供热图像。由微测辐射热计组件组成的热图像摄像机通常包含像素阵列，其微测辐射热计由于偏压（偏置）而允许与温度有关的电流强度。矩阵状布置的微测辐射热计组件通常也称作FPA（“Focal Plane Array(焦平面阵列)”）。如果这样的温度灵敏型探测器阵列通过红外光学系统来曝光，那么可以拍摄热图像并从而产生温度图像。
为了清楚地理解技术背景，将以下的术语作为紧接着的阐述的基础。
以所谓的“帧”来进行图像拍摄。帧理解为矩阵状探测器阵列（FPA）的同时针对图像所记录的像素强度值的数据组。也就是说，通常在整个矩阵布置的各个读出过程的结果中产生帧。矩阵状布置的图像元素的读出通常以行的方式进行，其中每个行接着在其侧以列的方式被读出。于是帧是完整的读出过程的像素（像素强度）的矩阵。只要指的是在公制上有秩序地读出的像素强度的总体，那么帧也同义地被称作当前读出的图像。
“基于像素”这里被理解为，热图像以确定的数量和位置的布置被离散，其中在所述位置处测量其辐射强度。这通常是行列矩阵结构，但并不局限于这样的笛卡尔布置。这里所示的方法本身并不是以矩阵结构为前提，而是在其他的像素布置的情况下也保持有效。重要的仅仅是，如果不同的图像应该被相互结算，比如在背景图像校正时的热图像与背景图像或者具有不同热灵敏度的热图像，那么布置是相同的。基于像素在此意味的是，针对每个像素位置来进行相应的校正或处理计算。诸如灵敏度特征等的参数在最通常的情况下于是可以从像素位置到像素位置地变化，也即对于整个热图像不必是相同的。对于像素强度的函数曲线的说明，不仅对于所处理的、校正的、而且对于平均的或加权的信号值，其前提是对于概念“（严格）单调上升/下降”、“可逆单值函数”、“线性/非线性函数”、“（严格）凹/凸函数”等概念的数学理解。
利用概念“权函数”来指一组因子，在如此被加权的帧被继续处理之前，该组因子在图像数据组（帧）上被用作加权。这里利用“百分比权函数”指的是，权应该总是位于0和1之间。
“像素强度”被理解为分配给探测器矩阵的各个像素位置的强度值。与之不同，“图像强度”被理解为作为整体分配给图像的强度说明。对于二者，存在不同的实现可能性。在下文中描述，在微测辐射热计组件的情况下各个微测辐射热计的像素强度通常如何被确定。如果作为整体需要关于图像强度的陈述，那么为此例如可以形成所有像素强度的总和。但其他的定义（比如所有像素强度的平均值、子帧、也即总阵列的子矩阵或ROI=“感兴趣区域（Region Of Interest）”、也即总阵列的有关的、任意形成的部分面的、像素强度的总和或平均值等）也是可能的。
在热图像摄像机的应用中，在由热图像摄像机要拍摄的场景中同时存在的温度差经常太大，以致于所述温度差不能由电子装置的动态范围（用于拍摄、分析和表示热图像所采用的电子处理链的近似线性的动态的调制范围）适当地、也即在无由于饱和或噪声引起的失真的情况下转换为热图像，并且大多也太大，以致于不被使用者有意义地解释。对此的例子是由消防队使用热图像摄像机。这里，在消防队使用的情况下同时在图像中不仅应该检测火灾发生地的高温，而且应该检测在失火区域中要救援的人的低温，使得一眼就可以从所示的热图像获悉能够实现快速而对准目标的处理的所有信息。
微测辐射热计组件自身可以通过控制偏置偏压或者各个微测辐射热计或者其作为积分器而连接的互阻抗放大器的积分时间而有选择地针对不同的灵敏度被控制，而且在非常大的温度范围上。从而困难首先不在于微测辐射热计组件的灵敏度范围，而是在于选择合适的温度范围和合适的表示。不仅可以避免图像过调制，而且应该避免在低温时细节（Detailtreue）遭受：由各个微测辐射热计的噪声而使小信号失真，因为使（严格单调上升的）动态范围与高温协调。
因此致力于，交替地生成两个分别利用较高和较低灵敏度而拍摄的热图照片，并以合适的方式共同表示在显示器上，以便不仅在高温时、而且在低温时实现不过调制的详细的成像。为了区分利用FPA的明显不同的灵敏度而拍摄的两个热图像，在下文中使用概念“较高灵敏的图像”和“较低灵敏的图像”，其中在利用不同调整的探测器灵敏度而拍摄的多于两个的图像的情况下，也还谈及“中等（mittel）灵敏的图像”。
在现有技术中，已经从GB°2 435 974 A中已知：把两个交替拍摄的热图照片在共同的图像中表示。当然在那里利用较高和较低动态而交替拍摄的热图照片分别单独地被中间存储，并然后两个图像被输送给共同的表示。该实施方式所具有的缺点是，它是非常存储器密集型的，或者需要额外的存储器带宽。另外，中间存储把图像序列相对于直接的信号处理而延迟一个或多个帧。所谓的流水线延迟（Pipeline-Delay）放大，这对于实时应用是极其不希望的。
比如在JP 2004-222183中也描述了用于使用较高和较低灵敏的像素的一般方法，其中在那里装备有较高和较低灵敏的像素的摄像机具有曝光校正值用的输入单元，根据所述曝光校正值，不同灵敏度的图像利用曝光数值被结算，并接合为组合图像，并且所述曝光校正值被用于扩展或限制动态范围。从US 2007/0211157 A1中已知的热成像系统在非常类似的基础上工作。在该解决方案中，同样重复地在探测器阵列的两个灵敏度调整之间来切换，其中在采用阈值标准的情况下逐像素地（pixelweise）选择合适的灵敏度水平并显示。在这两种情况下分别不利的是，必须对两个利用不同的灵敏度拍摄的图像进行准同时的并行处理，并且图像数据的逐像素的组合取决于任意设置的或根据经验找到的校正值或阈值，其或者必须持续地与当前的热场景相匹配，或者必须根据确定的标准来预选。
发明内容
本发明所基于的任务是，找到用于拍摄和表示热图像的新的可能性，其允许在共同的热图像中联合具有两个不同的动态范围的拍摄，其中像素信号的噪声和漂移以及用于中间存储和处理的存储需求同时被降低。
根据本发明，该任务在具有基于像素的探测器单元、处理器单元和图像中间存储单元的热图像摄像机中而通过以下得到解决，其中所述探测器单元被构造用于利用至少两个不同的灵敏度对在其上成像的情景的热辐射进行基于像素的拍摄以及交替地读出较高灵敏的和较低灵敏的图像，和所述处理器单元被设置用于控制读出、预处理、中间存储以及把至少两个依次从探测器单元读出的较高和较低灵敏的图像结合为共同的输出图像，即所述图像中间存储单元作为较高灵敏的以及较低灵敏的原始图像的共同累加器来构造并在其输出端处提供共同的输出图像，和对所述累加器前置图像加权单元，用以利用可调整的百分比加权函数G来对交替从探测器单元读出的较高和较低灵敏的原始图像逐像素地加权，以及利用与可调整的百分比加权函数互补的加权函数（1-G）来对在累加器中中间存储的输出图像逐像素地加权，以及根据从探测器单元中利用至少两个不同的灵敏度调整而交替读出的原始图像来相加地叠加两个图像用于连续地更新输出图像。
有利地给累加器分别加权地输送一系列从探测器单元中利用多于两个的不同灵敏度调整而交替读出的较高和较低灵敏的原始图像，其中分别根据在累加器中当前所提供的以及互补加权的输出图像来进行更新，使得在累加器中能够由至少三个不同灵敏的原始图像来产生具有像素强度的共同输出图像。同样适宜的是，分别加权地给累加器输送一系列从探测器单元中利用至少两个灵敏度调整而交替依次读出的较高和较低灵敏的原始图像，其中分别根据在累加器中当前所提供的以及互补加权的输出图像来进行更新，使得得到该系列交替拍摄的较高和较低灵敏的图像的平滑平均的（gleitend gemittelt）输出图像。
图像加权单元在第一变型方案中优选地具有图像加权乘法器，用以利用可调整的百分比加权函数G来对所读出的原始图像加权；累加器（Akku）加权乘法器，用以利用互补的权函数（1-G）来对从累加器中存在的输出图像加权；以及加法器，用以逐像素地使两个被加权的图像相加，其中给所述加法器输送所读出的原始图像的加权的图像以及在累加器中存在的互补加权的输出图像，并且累加器布置在其输出端之后。
在优选的第二变型方案中，图像加权单元依次由第一累加器加法器、后置的图像加权乘法器以及图像加法器组成，用以实现在累加器中存在的输出图像相对于新的原始图像的互补加权，其中给所述第一累加器加法器输送从具有定义的灵敏度的探测器单元中所读出的原始图像以及在累加器中存在的输出图像，用以由原始图像和输出图像逐像素地形成差；所述图像加权乘法器用于利用可调整的加权函数G来对如此产生的差图像加权；给所述图像加法器输送图像加权乘法器的由原始图像和输出图像组成的加权的差图像和在累加器中存在的输出图像。
所述加权函数G对于较高灵敏的和较低灵敏的图像适宜地是不同的，其中设置选择单元，用以针对所读出的原始图像按照所调整的探测器灵敏度以及根据匹配的互补的加权函数（1-G）来提供不同的加权函数。
所述处理器单元有利地具有装置，用以用于利用第一百分比加权函数的第一权因子来控制较高灵敏的图像的每个像素位置的像素强度的加权和利用第二或其他百分比加权函数的第二或其他权因子来控制或其他较低灵敏的图像的每个像素位置的像素强度的加权，其中所述第一、第二和其他加权函数可以以分配的方式应用于不同的较高和较低灵敏的图像。
所述探测器单元优选地根据其不同的灵敏度调整（Empfindlichkeitseinstellung）针对较高灵敏的图像的每个像素具有最小可能的强度和最大可能的强度，并针对较低灵敏的图像的每个像素具有最小可能的强度和最大可能的强度，其中所述第一百分比加权函数具有从最小可能强度时的第一最大百分比权（Prozentgewicht）直到最大可能强度时的第一最小百分比权的单调下降，并且所述第二或其他百分比加权函数具有从最小可能强度时的第二最小百分比权到最大可能强度时的第二最大百分比权的单独上升。
所述探测器单元适宜地针对较高灵敏的图像的每个像素具有在最小可能和最大可能强度之间的下切换阈强度，并且针对较低灵敏的图像的每个像素具有在最大可能和最小可能强度之间的上切换阈强度，其中
-所述第一百分比加权函数在下切换阈强度之下基本是恒定的，和在下切换阈强度之上具有从下切换阈强度时的第一最大百分比权到最大可能强度时的第一最小百分比权的单调下降，以及
-所述第二百分比加权函数在上切换阈强度之下具有从最大可能强度时的第二最小百分比权到上切换阈强度时的第二最大百分比权的单调上升，和在上切换阈强度之上基本是恒定的。
另外，所述探测器单元有利地针对较高灵敏的图像的每个像素具有在最小可能和最大可能强度之间的下切换阈强度，并且针对较低灵敏的图像的每个像素具有在最大可能和最小可能强度之间的上切换阈强度，其中
-所述第一百分比加权函数在下切换阈强度之下具有从第一下最小百分比权到第一最大百分比权的单调上升，和在下切换阈强度之上直至最大可能强度具有从下切换阈强度时的第一最大百分比权到最大可能强度时的第一上最小百分比权的单调下降，以及
-所述第二百分比加权函数在最小可能强度与上切换阈强度之间具有从最小可能强度时的第二下最小百分比权直到上切换阈强度时的第二最大百分比权的单调上升，和在上切换阈强度之上具有从上切换阈强度时的第二最大百分比权直到最大可能强度时的第二上最小百分比权的单调下降。
适宜地，所述下切换阈强度等于上切换阈强度。作为有利的第一变型方案表明，加权函数的单调下降或上升的至少之一是凸函数。但单调下降或上升的至少之一也可以是线性函数。
较高或较低灵敏的图像的像素的最大百分比权被有利地设置为较高的百分比权，如果其像素强度与相应像素的强度的数值差在累加器中高于关断阈值的话。在此较高的百分比权优选地为100%。
本发明所基于的基本想法是，利用较高和较低灵敏度（动态）交替拍摄的热图照片（其分别单独地被中间存储并然后被结算为共同的表示）必须将其单独的噪声分量和信号波动（时间漂移）累积放大地引入到共同的输出图像中，或者必须在此方面在其结算之前单独地被校正。
因此本发明利用迭代更新的中间存储器（累加器），其中利用在所述中间存储器中已存在的、同样加权的前任图像（输出图像）来交替地仅按份额（也即加权地）结算（verrechnen）较高和较低灵敏的图像。
利用所示的解决方案，获得两个效果：一方面，较高和较低灵敏的图像以其权的比例被混合，并因此被组合成共同的输出图像。另一方面，与当前的输出图像有关的其加权引起对像素强度的时间波动（噪声）的抑制。该效应通过以下方式来实现，即每个单图像仅以一定的分量贡献于输出图像，其方式是，所述输出图像在平滑平均值的意义上针对各个像素强度被更新。所谓累加器的使用此外还节省利用较高和较低灵敏度而交替读出的单图像中的每一个的单独的中间存储，这不仅意味着构件和成本节省，还意味着不是微不足道的技术简易化，因为相对于在两个中间存储器时在电子方面要求高的高时钟脉冲速率，存储器访问可以被平分。
利用本发明的解决方案，可以实现新型的热图像拍摄和表示，其中利用不同的动态范围而拍摄的两个热图像可以被联合在共同的输出图像中，其中像素信号的噪声以及用于中间存储和处理的存储需求同时被降低。
附图说明
下面，本发明应借助实施例被详细解释。附图：
图1示出了根据本发明的热图像摄像机的实施形式；
图2a, 2b, 2c示出了累加器更新的处理流程；
图3a,b作为关于成像情景的温度的像素强度示出了较高和较低灵敏的探测器调整（Detektoreinstellung）的探测器特性曲线的表示，
图4a示出了通过根据所定义的切换阈强度来切换加权函数对针对高和低温的像素的像素强度加权的实施形式；
图4b示出了在本发明一个实施形式中的百分比权函数；
图4c示出了在本发明另一实施形式中的百分比权函数；
图5示出了在随着时间突然改变温度情况时加权函数的快速切换的实施形式。
具体实施方式
图1示出了根据本发明一个实施形式的热图像摄像机的部件以及其连网。为了拍摄热图像，借助IR光学系统16把IR辐射成像到矩阵状探测器单元1（在下文中也为：FPA 1（Focal Plane Array，焦平面阵列））上，所述热图像借助所属的读出单元2基于像素地作为完整的帧被读出，并作为被成像的热情景的原始图像B被转发。
处理器单元5借助闭锁控制装置4来控制被称作快门3的闭锁单元，用以打开或关闭成像光路。在快门3被打开时，产生原始图像B。在快门3被关闭时，产生快门3的背景图像作为参考，所述参考被用于均衡FPA 1的微测辐射热计组件的不均匀性（“Non-Uniformity-Correction（非均匀性校正）”NUC，在此不进一步考虑）。所述处理器单元5另外还通过偏压发生器6a来控制FPA 1的微测辐射热计的偏置偏压，或者借助积分时间预先给定单元6b通过所述读出单元2来控制积分时间。不仅通过选择偏置偏压，而且通过选择积分时间，可以如此来运行所述读出单元2，使得交替地产生较高灵敏的或较低灵敏的图像作为原始图像B。所述处理器单元5此外还遭受时钟脉冲控制7，并以确定的顺序反复地产生较高灵敏的和较低灵敏的原始图像B以及背景图像，其中后者作为参考信号用于不断地校准微测辐射热计或使像素强度归一化。
所述处理器单元5另外还把较高或较低灵敏的图像的选择信号9输出给其他摄像机部件，以向所述其他摄像机部件通知当前所测量的原始图像B是较高灵敏的还是较低灵敏的图像。根据所述信号，百分比权函数G的选择单元10为较高灵敏的图像选择权函数GH（第一百分比权函数），或者为较低灵敏的图像选择权函数GN（第二百分比权函数）。“百分比权函数”这里意味着，权总是通过在0和1之间的因子来表示。
所述权函数G（或者针对较高和较低灵敏的图像的单独的权函数GH和GN）在图像加权乘法器11a中给原始图像B按照
针对所有i、j（行或列指数）逐像素地施加权因子，用以产生加权的图像B’。
所述热图像摄像机100另外还仅具有被称作累加器8的图像中间存储单元。所述累加器8通过从探测器1交替读出的较高灵敏的和较低灵敏的和加权的图像B’连续地被更新。为此计算加权的当前累加器图像A’，其方式是，所述累加器加权乘法器11b同样在采用权函数G（或者针对较高和较低灵敏的图像的单独的权函数GH和GN）的情况下来加权所述累加器8的当前输出图像A（其同时是显示器14和/或接口15的当前输出图像A），不过利用互补的权函数（1-G），其再次可以逐像素地、也即按照
来应用。
图像加法器13接着逐像素地把加权的图像B’和互补加权的当前累加器图像A’相加。结果
作为新的累加器图像A n+1被存储在所述累加器8中。
另外，所述处理器单元5不仅可以读地、而且可以写地访问增益中间存储器20和偏移中间存储器21。利用放大（增益（Gain））和零偏差（偏移（Offset））的所述中间存储器20和21来优选地分别指的是值阵列的存储器，因为增益和偏移在正常情况下对于每个像素位置单独地是不同的。但是它们也可以作为单值的存储器来实施。
放大和偏移优选地用于热图像和背景图像的两点校正。所述校正可以逐像素单独地或统一地针对所有像素位置来进行。放大（增益）的值或值矩阵通常作为工厂侧（werkseitig）的校准固定地被预先给定，但也可以在连续的摄像机运行中被确定。所述偏移或偏移矩阵通常在热图像摄像机中在连续的运行制度（Betriebsregime）中被确定。
另外应注释的是，所述处理器单元5可以不仅对直接测量的热图像帧（原始图像B）或背景帧（背景参考）、而且对已加权的图像B’利用增益和偏移值来进行两点校正或其他计算。每一有意义的组合在此情况下同样是可能的，因为这些单元在一定程度上通过数据总线相互连接。
图2a利用百分比权G和由其导出的权（Gewicht）（1-G）作为简单原则流程图示出累加器8的逐渐更新。图2b示出可替代的扩展方案，其在数学上提供与在图2a中的实施相同的结果。这里按照以下公式来进行在累加器8中要中间存储的新输出图像An+1的计算：
。
在此，加法器12b形成在新从FPA 1读出的原始图像Bn+1与在所述累加器8中存在的输出图像An之间的差。所述图像加权乘法器11b借助所述权函数G（准确地说：借助单独调整的针对较高和较低灵敏的图像的权函数GH和GN，如示例性地在图4a-4c中所说明的那样）来对两个图像的差进行加权，并将其输送到图像加法器13b。所述图像加法器把如此加权的差与在累加器8中存在的输出图像An相加。结果然后作为新的输出图像An+1被存储在所述累加器（8）中，由此可以在显示器14中被显示或者可以输送给所述接口15用以在外部计算机200中继续处理。该实施的优点在于，仅需要乘法器，并且在基本功能相同的情况下（如在根据图2a的基本变型方案中）逐像素操作的重要量可以作为简单的加法步骤来实施。
图2c的变型方案根据图2b的简化处理来建立，并示出以下的可能性，即也可以以相同的方式利用上面所说明的两个加法器12b和13b以及仅图像加权乘法器11b将在FPA 1的探测器灵敏度的三个或多个不同的调整的情况下交替读出的多个原始图像B在仅用以中间存储的累加器8中结合并更新成输出图像A。
在图像处理时，不是首先准同时地拍摄、中间存储不同灵敏度的两个图像，并然后相互结算为共同的输出图像A，而是利用被称作累加器8的中间存储单元来工作。
在此，所述FPA 1作为探测器单元由所述处理器单元5如此来控制，使得其交替地总是产生较高灵敏的图像和较低灵敏的图像（以及以确定的时间时钟脉冲在快门3关闭时也产生背景图像）。因此，在给定的时间点（在快门3的闭锁时间之外），交替读出的较高灵敏的和较低灵敏的图像之一总是恰好与以下信息一起存在：即它是较高灵敏的还是较低灵敏的图像。
所述所读出的原始图像B逐像素地利用百分比权函数G被加权，并与在所述累加器8中所存储的累加器图像A相结合。所述结合通过加权的图像B’与加权的累加器图像A’的逐像素相加来进行，其中所述加权的累加器图像通过把已有的累加器内容与权函数G的与百分之百互补的（zu hundert Prozent
komplementären）分量、也即与权（1-G）逐像素地相乘来产生。在加法结果中产生输出图像，利用所述输出图像同时地更新所述累加器8的内容。也就是说，新的累加器图像A在每个步骤中迭代地连续地被更新，也即在读出较高灵敏的图像时利用其来更新，在读出较低灵敏的图像时利用这样的来更新。由此避免对较高灵敏的或较低灵敏的图像的分开的和并行的中间存储，并从而节省存储位置。应提及的是，对于较高灵敏的图像采用权函数GH和对于较低灵敏的图像采用权函数GN，所述权函数一般是相互不同的。
累加器8的加权的更新另外还能够在多个图像上平滑地平均图像强度的短时波动，并从而明显降低在输出图像中的时间波动（噪声）。所述“平滑平均”的强度可以通过权函数的权的选择并从而用于平均的原始图像B的数量来调整。
因此，在本发明中不是简单地把较高灵敏的和较低灵敏的图像相互组合并输出。更确切地说，累加器8一般从多个原始图像B中搜集信息，所述原始图像于是利用分别不同的权被包含在当前输出图像A中。在此，在累加器8中较高和较低灵敏的图像的权分量可以是不同的。权分量的比例对应于较高和较低灵敏的原始图像B的确定的混合比例。因为所述权GH和GN不必是恒定的，而是典型地分别是像素强度的函数，所以较高和较低灵敏的图像的权分量也可以从像素到像素地变化。不过通过相应地选择权GH和GN，也可以如此运行所述累加器8，使得仅每一个较高灵敏的和较低灵敏的原始图像B被结算，或者所有像素具有相同的权。
具有图像加权单元12的处理器单元5的处理结构连同所述累加器8一起构成递归的、时间离散的（时钟脉冲的）低通滤波器（在技术上也称作IIR低通滤波器），其中所述图像加权单元由乘法器11a和12a以及加法器13a组成。其效果近似地对应于具有时间常数tF/G（tF=帧或时钟脉冲时间，G=加权因子GH或GN）的连续滤波器。像素强度的时间波动（噪声）由此被平均并从而被抑制。所述权GH和GN因此不仅确定较高与较低灵敏的图像的混合比例，而且确定噪声抑制的强度。GH和GN不必是恒定的，而是可以随着像素强度而变化。从而滤波效果可以根据像素强度被控制。总之在此情况下追求以下的目标，即使噪声抑制与存在的噪声行为相匹配。在低温（并从而在小信号）时，所述探测器1的噪声按比例强于在高温（并从而在大信号）时。
随着权因子增加，滤波器变得更快。在G=100%时，当前原始图像B的像素利用下一帧立即并且未被平均地被写入所述累加器B中。如果不希望滤波效果，那么可以通过这种方式使低通失效。这种“关断”也可以逐像素地进行。如果比如在热图像中存在快速的变化（由于移动的对象或由于摄像机摆动），那么各个像素不能足够快速地跟随所述变化，并且对象轮廓将会拖着尾巴。为了避免这一点，在本发明的一种实施形式中，如果像素的像素强度与累加器8中的相应像素的强度的数值差高于关断阈值IAS，那么把像素的权设置为较高的百分比权（比如100%）。所述像素然后被更快地（或者立即并且未被平均地）被写入所述累加器8中。将所述关断阈值IAS典型地紧靠地置于由噪声所引起的波动宽度之上，使得所述低通仅选择地对于位于2*IAS宽的“软管（Schlauch）”中的噪声像素起作用，但对于由于对象在热图像中快速变化的像素不起作用（图5）。
另外不言而喻，在所述处理器单元5中处理器（CPU）本身也可以实施所有的图像计算。于是不必为图像计算而设置分开的组件。
当前的累加器内容作为输出图像A被输送给显示器14和/或计算机接口15，用以对使用者可见地输出，或者在外部计算机200中存档或另外继续处理。
通过所述计算机接口15也可以在热图像摄像机100和外部计算机200之间在一个方向或在两个方向上传输其他参数。比如所述外部计算机200可以给所述热图像摄像机100预先给定参数，或者所述热图像摄像机100除了输出图像A之外还可以向所述计算机传输参数或其他测量参量，比如微测辐射热计组件的衬底温度。
为了获得具有不同敏感度的热图像，通过三个影响因素、即偏置电压、放大和积分时间中的至少之一交替地以两种不同的方式如此控制所述FPA 1的灵敏度，使得所述FPA 1或者变得更灵敏，或者变得较不灵敏。不过这里所述的方法并不取决于灵敏度调整的方式，而是也可以以任意其他方式的灵敏度调整来实现。重要的仅仅是，存在具有两个不同的灵敏度调整的图像拍摄。
借助由微测辐射热计组成的探测器单元1来进行图像拍摄，其中所述探测器单元的电阻根据温度而变化，并具有基于像素的温度敏感的结构（比如由非晶硅构成的）。为了测量电阻，一般给每个微测辐射热计施加偏置偏压，并经由FET开关通过从外部施加的释放信号而与集成的互阻抗放大器（未示出）的输入端相连接。
所述互阻抗放大器的放大可以在需要时从外部调整。所述积分时间同样可以由使用者在确定的界限内改变。通过三种影响因素、即偏置偏压、放大和积分时间中的每一个原则上都可以控制探测器单元1的灵敏度。另外通常以桥电路来运行测量和盲测辐射热计（Blind-Bolometer）。
图3示出根据本发明的探测器单元1的较高和较低灵敏度调整的像素的信号强度（像素强度）。在图3中示出了在用于产生较低灵敏的图像的探测器调整时存在的高温的特性曲线、以及在用于产生较高灵敏的图像的探测器调整时能观察到的低温的特性曲线。所述特性曲线相交于点TS、IS。在对象温度低于交点TS时，探测器的灵敏度在低灵敏区域中迅速地减少。因此在像素强度低于IS时降低权GN并提高权GH，使得在输出图像中较高灵敏的特性曲线日益地变得有效。而在对象温度高于交点TS时，存在的危险是，所述探测器在较高灵敏区域中过调制（übersteueren）或者进入饱和。因此在像素强度高于IS时降低权GH并提高权GN，使得在输出图像中较低灵敏的特性曲线日益地变得有效。但是借助权GH和GN也可以控制噪声抑制的强度。GH和GN在此允许采用在0和100%之间的任意值。GH和GN的总和不等于100%，这是允许的并且不影响输出图像的像素强度的平均值。同样就此而言不需要GH和GN相互处于确定的关系，比如是相等的。两个权相互独立地起作用。仅仅在两个权都为0的情况下，所述输出图像不被更新，并且最后的图像可以被看作永久的静止图像。
为了简化下面针对利用探测器单元1的不同灵敏度调整而对图像应用权函数的阐述，在下文中对于较高灵敏的图像引入“第一”函数、影响参量和参数，并对于较低灵敏的图像引入“第二”函数、影响参量和参数。
在图4a中基于针对较高灵敏的图像和较低灵敏的图像的根据图3的特性曲线而分别设置自己的百分比权函数。在此针对较高灵敏的图像，第一百分比加权函数GH是决定性的，并且针对较低灵敏的图像采用第二百分比权函数GN。所述不同的权函数GH和GN可以针对像素强度的确定的间隔而分别单独地被应用，其中在所述间隔中应该单独地或者代表较高灵敏的图像、或者代表较低灵敏的图像。在图4a的实施中为此在像素强度Im时确定切换阈值IUS，其中在所述像素强度Im时探测器单元1的较高和较低灵敏度调整的特性曲线相交，在所述切换阈值IUS时在所述权函数GH和GN之间切换。所述加权函数GH和GN在此不必具有相同的或不变的函数曲线或相同的百分比水平。在图4a中示例地示出了如何能够借助权函数GH来补偿朝向低强度而增加的噪声。GH的曲线在此如此来选择，使得该曲线近似地遵循图3的较高灵敏的特性曲线的上升的曲线。所述权GH和GN可以、但在此不必上升至100%。在像素强度Im=Im时在加权函数GH和GN之间的“无缝”切换原则上是有意义的并特别不复杂的变型方案，用以在交替地以加权的方式更新在累加器8（作为图像中间存储单元）中最终产生的输出图像A时令人满意地实现对输出图像A的根据本发明的平滑平均。
图4b在本发明的一个实施形式中示出了针对较高灵敏的图像和较低灵敏的图像的两个百分比权函数GH和GN的互补交错（Ineinandergreifen）。所述百分比权函数GH和GN针对像素强度的确定的间隔而分别作为高原（Plateau）、也即恒定地来实施，其中在所述间隔中应该单独地或者代表较高灵敏的图像、或者代表较低灵敏的图像。于是在过渡区域中针对较高灵敏的图像的第一权函数GH严格单调地下降直至零，并且针对较低灵敏的图像的权函数GN从零严格单调地上升，直到所述权函数GN在其侧到达高原为止。利用两个加权函数GH或GN的高原区域，保证在非常高或非常低的像素强度的区域中总是仅仅为此适用的百分比加权函数GH或GN单独地有效。较高灵敏的加权函数的高原和较低灵敏的加权函数的高原可以、但不必（如已经对图4a所阐述的）一致。
如在图4b中可看出的，对于较高灵敏的图像，第一百分比加权函数GH是决定性的，其在像素强度的确定的区域中具有从最小可能像素强度时的第一最大百分比权到最大可能像素强度时的第一最小百分比权的严格单调下降，而在像素强度的同一间隔中，对于较低灵敏的图像，所述第二百分比加权函数GN具有从最小可能像素强度时的第二最小百分比权到最大可能像素强度时的第二最大百分比权的单调上升。
如在图4b中另外可看出的，所述第二百分比加权函数GN配备有高原，所述高原在相应的自变量范围中对所有的强度值都统一地利用相同的百分比来加权。所述第一百分比加权函数仅具有一个峰值。两个加权函数GH和GN的交错于是如此来实现，使得GH从峰值单调地下降到0，而GN从0单调地上升到所述高原。通过这种方式避免在两个探测器特性曲线之间不连续的、突然的过渡，其中如果其交点不是精确地与切换点一致，那么在简单地切换特性曲线时产生上述过渡。
这具体地可以如此来实现，使得所述探测器单元1对于较高灵敏的图像的每个像素具有最小可能像素强度、最大可能像素强度以及在所述两个最小可能像素强度和最大可能像素强度之间的下切换阈强度ISu。所述第一百分比加权函数GH在此在最小可能强度与下切换阈强度ISu之间基本是恒定的（高原）。在下切换阈强度ISu与最大可能强度之间、也即在无可探测的强度过调制的情况下，所述第一百分比加权函数GH具有从下切换阈强度ISu时的最大百分比权到最大可能强度时的最小百分比权的严格单调下降。
所述探测器单元1相应互补地对于较低灵敏的图像的每个像素具有最小可能强度（也即仍关于噪声可探测的强度）、最大可能强度以及在所述两个最小可能强度和最大可能强度之间的上切换阈强度ISo。所述第二百分比加权函数GN在此在最小可能强度与上切换阈强度ISo之间具有从最小可能强度时的最小百分比权到上切换阈强度ISo时的最大百分比权的严格单调上升。于是在上切换阈强度ISo与最大可能强度之间，所述第二百分比加权函数GN基本是恒定的（高原）。
图4c示出在本发明的另一实施形式中百分比权函数GH和GN。在该实施中，虽然同样通过第一权函数GH的从零的单调上升或第二权函数GN到零的单调下降来保证一方面在探测器灵敏度调整的两个特性曲线之间软（weich）地进行过渡，但另一方面对于非常高或非常低的温度、也即在过渡区域之外，两个特性曲线中的仅一个分别是有效的。不过，所述权函数GH在其唯一的有效区域中根据图4c不再具有显著的高原，而是在对于较高灵敏的探测器调整所允许的像素强度的下部区域中通过严格单调生长的凸函数来描述，其如在图4a中用于额外地降噪。在对于较高灵敏的探测器调整所允许的像素强度的上部区域中自下切换阈强度ISu起采用严格单调下降，其在上切换阈强度ISo时达到最小权（比如零）。在较高灵敏的探测器调整的所述两个对立的函数曲线之间也还可以插入短的高原区域（未示出）。所述第二权函数GN在下切换阈强度ISu（较低灵敏的探测器调整的最小可能强度）与上切换阈强度ISo（较高灵敏的探测器调整的最大可能强度）之间具有从最小百分比权（比如零）到最大百分比权的严格单调上升，所述最大百分比权在上切换阈强度ISo时过渡到高原中直至最大像素强度。第二权函数GN的高原在该例子中具有比第一权函数GH的可能短的高原的最大权更大的百分比权，因为该区域不要求如此强的噪声抑制。
在其他实施形式中，所述权函数也可以是不连续的阶梯曲线。从而能够实现尤其简单的变型方案。
比如所述探测器单元1可以针对较高灵敏的图像的每个像素具有最小可能强度和最大可能强度以及多个第一切换阈强度（未示出），并且所述第一百分比加权函数GH对于在第一切换阈强度之下的强度具有第一最大百分比权，并对于在第一切换阈强度之上的强度具有第一降低的百分比权，在下一切换阈强度之上具有继续降低的百分比权，等等。相应地，所述探测器单元可以针对较低灵敏的图像的每个像素具有最小可能强度和最大可能强度以及多个第二切换阈强度（未示出），对于所述多个第二切换阈强度，所述第二百分比加权函数GN具有第二最大百分比权以及第一降低的百分比权和其他降低的百分比权。
在前述的所有实施中，权的百分比值按照实际的观点（Gesichtspunkt）来选择，用以尤其达到良好的噪声降低。同时应该抵抗移动人为现象（Bewegungsartefakt），如拖尾、图像的模糊或回声的出现。
通过比如在低温（高探测器灵敏度）时通过低的百分比权来负责良好的平均，并同时在较高温度时通过较高的百分比权来负责摄像机对变化、比如对象的移动的快速反应，能够实现在低温时仅在噪声干扰的地方进行噪声抑制。同时抵抗所述的移动人为现象，其中如果针对所有的图像分量实施良好的平均，那么可能出现上述的移动人为现象。
即使单调下降或上升作为优选的实施而线性地被示出，严格单调下降或上升中的至少之一可以与在图4a至4c中所示的实施形式无关地是凸函数或凹函数。
Claims (15)
1.热图像摄像机，具有基于像素的探测器单元、处理器单元以及图像中间存储单元，其中所述探测器单元被构造用于利用至少两个不同的灵敏度来基于像素地拍摄在其上所成像的情景的热辐射，并且交替地读出较高灵敏的和较低灵敏的图像，所述处理器单元被设置用于控制读出、预处理、中间存储以及把至少两个依次从所述探测器单元读出的较高和较低灵敏的图像结合为共同的输出图像，其特征在于，
-所述图像中间存储单元作为不仅用于较高灵敏的原始图像（B）而且用于较低灵敏的原始图像（B）的共同的累加器（8）来构造，并在其输出端处提供共同的输出图像，
-对所述累加器（8）前置图像加权单元（12），用于利用可调整的百分比加权函数（G）来对交替地从所述探测器单元（1）读出的较高和较低灵敏的原始图像（B）逐像素地加权，和用于利用与可调整的百分比加权函数（G）互补的加权函数（1-G）对在所述累加器中中间存储的输出图像（A）逐像素地加权，以及用于根据从所述探测器单元（1）中利用至少两个不同灵敏度调整而交替读出的原始图像（B）来相加地叠加两个图像用以连续地更新所述输出图像（A）。
2.根据权利要求1所述的热图像摄像机，其特征在于，
给所述累加器（8）分别加权地输送一系列从所述探测器单元（1）中利用多于两个的不同灵敏度调整而交替读出的较高和较低灵敏的原始图像（B），其中分别根据当前在所述累加器（8）中所提供的和互补加权的输出图像（A’）来进行更新，使得在所述累加器（8）中能够产生具有至少三个不同灵敏的原始图像（B）的像素强度的共同的输出图像（A）。
3.根据权利要求1或2所述的热图像摄像机，其特征在于，
给所述累加器（8）分别加权地输送一系列依次从所述探测器单元（1）中利用至少两个灵敏度调整而交替读出的较高和较低灵敏的原始图像（B），其中分别根据当前在所述累加器（8）中所提供的和互补加权的输出图像（A’）来进行更新，使得得到交替拍摄的较高和较低灵敏的图像的序列的平滑平均的输出图像（A）。
4.根据权利要求1或2所述的热图像摄像机，其特征在于，
所述图像加权单元（12）具有图像加权乘法器（11a），其用于利用可调整的百分比加权函数（G）来对所读出的原始图像（B）加权；累积器加权乘法器（12a），其用于利用互补的权函数（1-G）对从所述累加器（8）中存在的输出图像（A）加权；以及加法器（13a），其用于对两个加权的图像（B’;A’）逐像素地相加，其中给所述加法器输送所读出的原始图像（B）的加权的图像（B’）以及在所述累加器（8）中存在的互补加权的输出图像（A），并且在所述加法器的输出端后面布置所述累加器（8）。
5.根据权利要求1或2所述的热图像摄像机，其特征在于，
所述图像加权单元（12）依次由第一累积器加法器（12b）、后置的图像加权乘法器（11b）以及图像加法器（13b）组成，用以相对于新的原始图像（B）来实现在所述累加器（8）中存在的输出图像（A）的互补加权（1-G），其中给所述第一累积器加法器输送从所述探测器单元（1）中利用所定义的灵敏度读出的原始图像（B）以及在所述累加器（8）中存在的输出图像（A），用以由原始图像（B）和输出图像（A）逐像素地形成差，所述图像加权乘法器用于利用可调整的加权函数（G）对如此产生的差图像加权，给所述图像加法器输送所述图像加权乘法器（11b）的由原始图像（B）和输出图像（A）组成的加权的差图像和在所述累加器（8）中存在的输出图像（A）。
6.根据权利要求1或2所述的热图像摄像机，其特征在于，
所述加权函数（G）对于较高灵敏的和较低灵敏的图像是不同的，其中设置选择单元（10），用于按照所调整的探测器灵敏度以及根据匹配的互补的加权函数（1-G）为所读出的原始图像（B）提供不同的加权函数（GH;GM;...;GN）。
7.根据权利要求6所述的热图像摄像机，其特征在于，
所述处理器单元（5）具有装置，用于控制利用第一百分比加权函数（GH）的第一权因子对较高灵敏的图像的每个像素位置的像素强度的加权和利用第二或其他百分比加权函数（GM;...;GN）的第二或其他权因子对一个或其他较低灵敏的图像的每个像素位置的像素强度的加权，其中所述第一、第二和其他百分比加权函数（GH;GM;...;GN）以分配的方式能够应用于不同的较高和较低灵敏的图像。
8.根据权利要求7所述的热图像摄像机，其特征在于，
所述探测器单元（1）根据其不同的灵敏度调整对于较高灵敏的图像的每个像素具有最小可能强度和最大可能强度，并且对于较低灵敏的图像的每个像素具有最小可能强度和最大可能强度，其中所述第一百分比加权函数（GH）具有从最小可能强度时的第一最大百分比权直至最大可能强度时的第一最小百分比权的单调下降，并且所述第二或其他百分比加权函数（GN;GM）具有从最小可能强度时的第二最小百分比权到最大可能强度时的第二最大百分比权的单调上升。
9.根据权利要求8所述的热图像摄像机，其特征在于，
所述探测器单元（1）对于较高灵敏的图像的每个像素具有在最小可能和最大可能强度之间的下切换阈强度（ISu），并且对于较低灵敏的图像的每个像素具有在最大可能和最小可能强度之间的上切换阈强度（ISo），其中
-所述第一百分比加权函数（GH）在所述下切换阈强度之下基本是恒定的，并且在所述下切换阈强度（ISu）之上具有从下切换阈强度（ISu）时的第一最大百分比权到最大可能强度时的第一最小百分比权的单调下降，以及
-所述第二百分比加权函数（GN）在所述上切换阈强度（ISo）之下具有从最小可能强度时的第二最小百分比权到上切换阈强度（ISo）时的第二最大百分比权的单调上升，并且在所述上切换阈强度（ISo）之上基本是恒定的。
10.根据权利要求8所述的热图像摄像机，其特征在于，
所述探测器单元（1）对于较高灵敏的图像的每个像素具有在最小可能和最大可能强度之间的下切换阈强度（ISu），并且对于较低灵敏的图像的每个像素具有在最大可能和最小可能强度之间的上切换阈强度（ISo），其中
-所述第一百分比加权函数（GH）在所述下切换阈强度（ISu）之下具有从第一下最小百分比权到第一最大百分比权的单调上升，并且在所述下切换阈强度（ISu）之上直至最大可能强度具有从下切换阈强度（ISu）时的第一最大百分比权直至最大可能强度时的第一上最小百分比权的单调下降，以及
-所述第二百分比加权函数（GN）在所述最小可能强度与所述上切换阈强度（ISo）之间具有从最小可能强度时的第二下最小百分比权直至上切换阈强度（ISo）时的第二最大百分比权的单调上升，并且在所述上切换阈强度（ISo）之上具有从上切换阈强度（ISo）时的第二最大百分比权直至最大可能强度时的第二上最小百分比权的单调下降。
11.根据权利要求9所述的热图像摄像机，其特征在于，
所述下切换阈强度（ISu）等于所述上切换阈强度（ISo）。
12.根据权利要求8所述的热图像摄像机，其特征在于，
单调下降或上升的至少之一是凸函数。
13.根据权利要求8所述的热图像摄像机，其特征在于，
单调下降或上升的至少之一是线性函数。
14.根据权利要求8所述的热图像摄像机，其特征在于，
对于较高或较低灵敏的图像的像素，如果其像素强度与在所述累加器（8）中相应像素的强度的数值差高于关断阈值（IAS），那么所述最大百分比权被设置为较高的百分比权。
15.根据权利要求14所述的热图像摄像机，其特征在于，
所述较高的百分比权为100%。
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