红外热像仪如何标定

要点

热像仪的几何标定与可见光相机原理相同，难点在于让标定图案在红外波段“看得见”。
图案对比度来自发射率差或温度差，普通打印图案在长波红外下几乎没有对比度。
常见做法有三类：发射率差被动标定板、加热（或冷却）标定板（包括加热背板加镂空遮罩），以及兼顾可见光的双模标定板。
热像仪分辨率低，特征要大；标定时固定灰度映射，避免自动增益让画面忽明忽暗。
与可见光相机融合，需要在两个波段都有对比度、且特征位置一致的标定板。

热像仪“看到”的是什么？

长波红外（LWIR，约 8–14 µm）热像仪测量的是物体表面发出和反射的红外辐射。一个表面在热像中的亮度，大致由两部分决定：

自身的辐射：取决于表面温度和发射率 ε，温度越高、发射率越高，辐射越强；
反射的环境辐射：比例约为 1 − ε。低发射率的抛光金属像一面镜子，主要反映周围环境的温度。

纸张、油墨、大多数涂料和塑料在长波红外下的发射率都很高，而且彼此接近。所以可见光下黑白分明的印刷图案，在热像仪里几乎是一片均匀的灰。要让图案显现，必须人为制造发射率差或温度差。

近红外和短波红外相机也一样吗？

不一样。近红外（NIR）和短波红外（SWIR）相机主要靠反射光成像，原理与可见光相机接近，很多可见光标定板可以直接使用。但图案的对比度取决于油墨或涂层在该波段的反射特性：含碳的黑色油墨通常依然吸收，部分染料型油墨在这些波段却几乎透明，图案会“消失”。使用前应在实际波段和光源下试拍确认。下文讨论的是靠热辐射成像的中波和长波红外热像仪。

热成像标定板有哪几类？

发射率差被动标定板

在金属基板上做出高发射率区域（如特制涂层）和低发射率区域（如抛光金属面）。当板的温度与它“看到”的环境温度不同时，高发射率区显示板自身的温度，低发射率区显示反射的环境温度，于是形成对比。

优点：结构简单；金属基板导热好，板面温度均匀，图案边缘锐利。
注意：对比度取决于板温与环境温度之差。室内各处温度接近时对比度可能不足，可以把板稍微加热，或让低发射率面反射一个温度明显不同的背景，比如开阔的天空或较冷的墙面。低发射率面上的指纹和油污会改变发射率，要保持清洁。

加热或冷却的标定板

用加热膜、加热灯等让标定板升温，在图案元素与底板之间形成温差。还有一种做法是在加热背板前放置镂空遮罩：孔中透出热的背板，遮罩本身保持接近室温。

优点：对比度可以做得很高。
注意：热量会横向传导，图案边缘随时间逐渐变模糊；加热不均匀会让板弯曲，加热本身也会让板膨胀。应在温度稳定后采集，并控制每轮采集的时长。

可见光与红外双模标定板

图案在可见光下有黑白对比，在红外下也有发射率或温度对比，而且两个波段中特征点的位置一致。这是可见光与红外联合标定的前提。

热像仪标定有哪些特殊之处？

分辨率低，特征要大

常见热像仪的分辨率为 640×512、384×288 等，远低于可见光工业相机。按标定板尺寸与方格尺寸怎么定的方法计算时，要保证最不利姿态下每个方格或圆点仍有足够像素，因此方格往往要比可见光标定时大得多，特征数量也相应减少。ChArUco、AprilGrid 需要分辨标记的多个编码位，在低分辨率热像中可能难以识别，所以热像仪标定常用大方格的棋盘格或大圆点阵列。

固定灰度映射

自动增益控制（AGC）会根据画面内容不断调整灰度映射，标定过程中对比度忽高忽低，倾斜时还可能让一部分图案变得很暗。条件允许时，使用 14 位原始数据，或把灰度映射固定在一个合适的温度范围。

注意非均匀性校正

很多热像仪会周期性地用快门做非均匀性校正（NUC），期间画面会冻结或跳变，要避开这个时刻采集。

对焦与极性

红外镜头同样要在工作距离上对焦并固定。热像中“热”可能显示为白，也可能显示为黑，必要时在检测前把图像反色，使其符合检测器对黑白的约定。

模糊

热像仪的光学系统和探测器通常比可见光相机更“软”，图像对比度也更低。圆点阵列由整圈边缘求圆心，在这种情况下往往更稳健；棋盘格角点的位置在对称模糊下基本不变，但对比度下降后，检测本身会变得困难。

采集与评估

采集方法与可见光相机一致：多角度倾斜、覆盖画面四角、远近有变化，详见采集标定图像的最佳实践。由于像素大、特征少、图像更模糊，热像仪的 RMS 通常比可见光相机高，评估时应以投影不确定度和独立验证为准，不要套用可见光相机的经验值。

与可见光相机联合标定和融合

把热像叠加到可见光图像上，需要两台相机各自的内参以及它们之间的相对位姿：

内参：两台相机可以各自用适合本波段和分辨率的数据标定，也可以在联合优化中一起求解。
外参：用双模标定板同步采集共视帧，像双目标定一样求解，见双目与多相机标定要点。
兼顾两种分辨率：两台相机看的是同一块板，特征尺寸既要满足低分辨率热像的检测要求，也要满足可见光相机的精度要求。

融合时还有一个常被忽略的问题：视差。两台相机的光心不重合，用单应矩阵对齐两幅图像，只在某一个距离上是准确的；物体离这个距离越远，错位越大。要在不同距离上都对齐，需要知道深度（例如结合双目或测距传感器），再按三维几何关系投影。

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