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Embedded Thermal Imaging

Wärmebild-Kameramodule für Embedded-Systeme

In anwendungsspezifische Geräte integrierte Kamerasysteme haben sich längst auf dem Markt etabliert. Durch preiswerte Sensoren ist es jetzt auch möglich, Wärmebilder als Basis- oder Add-On-Funktion einzusetzen. Wie bei Kameras für sichtbares Licht erleichtern fertige Kameramodule dem Systementwickler dabei das Design seines Gesamtgerätes.

 Anwendungsbeispiele für Embedded-Wärmekameras: Personenzählung (links), Temperaturkontrolle an Backautomat (rechts) (Bild: Phytec Messtechnik GmbH)

Bild 1: Anwendungsbeispiele für Embedded-Wärmekameras: Personenzählung (links), Temperaturkontrolle an Backautomat (rechts) (Bild: Phytec Messtechnik GmbH)

Die Auswertung der Temperatur von Objekten ist schon lange als interessante Informationsquelle bekannt. Jeder hat schon einmal Wärmebilder gesehen, z.B. von Wohnhäusern. Dabei werden meist dedizierte Wärmebildkameras eingesetzt. In das Design von individuellen Geräten haben Wärmebildsensoren bislang nur wenig Einzug gehalten – ihr bisher recht hoher Preis und der Entwicklungsaufwand zur Einarbeitung in die Thematik haben den Einsatz in der Breite verhindert.

Kostengünstig und einfach zu integrieren

Durch die Weiterentwicklung der Sensortechnik sind inzwischen Wärmebildsensoren verfügbar, die für den Einsatz auch in kostenkritischen Seriengeräten geeignet sind. Die technologische Basis dafür ist das Mikro-Bolometer. Dieser Sensortyp besteht vereinfacht aus einem Array von wärmeempfindlichen Widerständen. In Abhängigkeit von der auftreffenden Wärmestrahlung – entsprechend der Objekttemperatur – ändert sich der gemessene Widerstandswert. Im Gegensatz zu Quantendetektoren, deren Funktionsprinzip dem von Kamerachips für sichtbares Licht ähnelt, brauchen Bolometer keine Kühlung und lassen sich deshalb einfach eindesignen. Bolometer-Sensoren, die sich preislich für den Einsatz in Embedded-Applikationen eignen, haben eine Auflösung von 32×32 oder 80×64 Pixeln. Für den Einsatz solcher Wärmebild-Sensoren existiert eine Vielzahl interessanter Anwendungen, die sich in zwei Kategorien gliedern lassen. Der erste Anwendungsbereich umfasst die Messung der Temperatur von Objekten. Beispielsweise kann ein Gewerbebackautomat zur Qualitätssicherung die Temperatur der gefrorenen Teiglinge und die der ausgegebenen Backwaren auf dem Blech ermitteln. Die zweite Anwendungsgruppe beinhaltet die Detektion und Separierung von Objekten anhand ihrer Temperatur. Dies kann erheblich einfacher sein als im sichtbaren Spektralbereich. Da die Objekte selbst Wärme abstrahlen, wird zudem keine Lichtquelle benötigt. Anwendungen können das Monitoring von Tieren in der Landwirtschaft, Personenzählung oder das Tracking von Verkehrsteilnehmern sein. Bei allen Anwendungen ist auch eine Kombination mit einem Kameramodul für sichtbares Licht möglich. So lassen sich Informationen multispektral auswerten oder für einen Bediener besser visualisieren.

Einsatzfertige Module erleichtern Gerätedesign

Wärme-Kameramodul VM-051 mit 80x64 Pixel Auflösung (Bild: Phytec Messtechnik GmbH)

Bild 2: Wärme-Kameramodul VM-051 mit 80×64 Pixel Auflösung (Bild: Phytec Messtechnik GmbH)

Beim Einsatz von Wärmebildsensoren ist zu beachten, dass die Rohdaten des Sensors zunächst aufbereitet werden müssen, bevor eine Temperaturinformation für jeden Bildpunkt zur Verfügung steht, so sind z.B. Kalibrierungsdaten des Sensors, Umgebungstemperatur und Drift zu berücksichtigen. Außerdem benötigt der Sensor eine der Anwendung angepasste Optik. Um dem Systementwickler die Einarbeitung in die umfassende Thematik rund um Sensorparameter und Datenkorrektur abzunehmen, hat Phytec fertig einsetzbare Wärmebild-Kameramodule entwickelt. Die 34x34mm kleinen Module besitzen eine parallele Datenschnittstelle. Sie passen dadurch an die Phycam-P Kameraschnittstellen der Mikrocontrollermodule von Phytec. So kann als Rechenkern des Embedded-Systems z.B. ein Phycore-Modul mit NXP i.MX6 Quadcore-Prozessor eingesetzt werden. Durch die Übertragung der Wärmebilddaten über die Kameraschnittstelle des Prozessors lassen sich die von herkömmlichen Bildsensoren bekannten Bildverarbeitungsumgebungen wie GStreamer oder OpenCV verwenden. Die zweite Kameraschnittstelle des I.MX6-Prozessors ermöglicht bei Bedarf die parallele Aufnahme von einer Kamera im sichtbaren Wellenlängenbereich. Die Aufbereitung der Rohdaten des Wärmebildsensors erfolgt bereits auf dem Kameramodul durch einen separaten Prozessor. Neben den erforderlichen Korrekturen und Errechnung der realen Temperaturwerte kann hier eine Adaptierung der Daten erfolgen. Da die Sensoren einen großen Temperaturbereich erfassen, ist für eine hinreichende Temperaturauflösung eine große Datenwortbreite erforderlich. Diese kann für die bei Embedded-Systemen üblichen Kameraschnittstellen ungünstig zu handhaben sein. Verschiedene Übertragungsmodi wirken dem entgegen und ermöglichen die Anpassung an verschiedene Schnittstellentypen. Mit der Definition eines Temperaturfensters kann ein bestimmter Temperaturbereich auf die vorhandene Wortbreite abgebildet und die Übertragung bzw. Verarbeitung vereinfacht werden. Durch die Auswahl aus verschiedenen Optiken werden die Bildsensoren an die Geometrie der Aufgabenstellung angepasst. Für den Entwickler reduziert sich so der Entwicklungsaufwand auf die Auswahl des passenden Moduls und die Implementierung der Applikationssoftware unter Linux.

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