CN101660947A - 三维测温成像系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低成本的三维测温成像系统，避免了多个成像元件带来的同步差问题，同时也能对中高温物体进行三维结构重建。三维测温成像系统，沿光路包括光学镜头组、图像传导光纤、成像元件、信号处理器，所述光学镜头组包括至少三组光学镜头组，所述成像元件是单片彩色CCD或CMOS成像元件。本发明基于热源辐射的非接触式、中高温物体表面成像测温的系统及方法，可对多个图像信号进行比较从而侦测出物体的测温边界，利用多波段热源辐射温度算法以及系统特性对被测物体表面温度进行计算，同时还可将被测物体表面的温度场进行三维表征。

Description

三维测温成像系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种三维测温成像系统及其测量方法。

背景技术

目前常见的测温成像系统以红外感光元件为主，其结构主要包括光学镜头、红外成像感光元件以及信号处理单元，感光元件的感应光波长通常在1微米以上。这类测温成像系统的优点是可以测较低的温度，甚至包括常温物体，缺点是成本较高，这主要是由于红外成像感光元件的成本比其他可见光及近红外成像元件高很多。

近年来基于CCD的测温成像系统大多以多个CCD相机或多CCD元件为主，将辐射信号分光至多个CCD相机，利用辐射测温原理进行温度计算，这使得测温系统较为复杂，同时由于多个成像元件带来的同步差问题，增加了系统校准及标定的难度，也提高了测温系统的成本。

对物体三维结构的计算机重建，目前的常见方法是在物体的表面标出很多特征点或利用物体表面已有的特征点，采用多个CCD相机对物体的多个表面同时摄像，或者用单个CCD相机对该物体不同表面拍摄一系列的图像，利用物体不同图像上各相同的表面特征点来对物体表面轮廓进行重建。但该方法对于发热的的中高温物体，其表面基本不存在特征点，也无法在其表面标出特征点，因此该方法很难适用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低成本的三维测温成像系统，避免了多个成像元件带来的同步差问题，同时也能对中高温物体进行三维结构重建。

本发明还要提供一种上述三维测温成像系统的测量方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：三维测温成像系统，沿光路包括光学镜头组、图像传导光纤、成像元件、信号处理器，所述光学镜头组包括至少三组光学镜头组，所述成像元件是单片彩色CCD或CMOS成像元件。

进一步的，所述光学镜头组包括凸透镜和降噪光圈。

进一步的，所述光学镜头组采用四组呈四面体形状排列，每两组光学镜头组之间与被测物体中心的夹角为109.4度。

进一步的，所述图像传导光纤的组数与光学镜头组的组数相同。

进一步的，在所述信号处理器前还设置有信号处理转换器。

三维测温成像系统的测量方法，该方法包括以下步骤：

1)光学镜头组收集被测温物体各表面辐射信号，并对信号进行降噪、准直；

2)图像传导光纤将光学镜头组收集的图像信号传输至同一彩色CCD或CMOS影像元件3表面的几个不同区域；

3)彩色CCD或CMOS成像元件将各图像传导光纤传输的光谱信号转化为图像信号；信号处理转换器将电信号转换为数字信号，并传输至信号处理器；

4)信号处理器进行数据处理及温度场计算。

进一步的，步骤3所述各图像信号包括三到四个宽波段的光信号。

进一步的，步骤4所述温度场计算是：利用亮度阈值以及亮度梯度分布自动侦测物体的边界或者指定的阈值边界，根据多波段测温原理对被测物体表面每一个点的温度进行计算，同时根据划定的物体表面某一点或某一区域的温度场进行计算。

进一步的，步骤4所述温度场计算是：利用四组光学镜头组的坐标以及所拍摄图像的边界，对该被测物体的三维形状进行还原，进而将其表面的温度数据表征在三维模型表面。

本发明的有益效果是：本发明基于热源辐射的非接触式、中高温物体表面成像测温的系统及方法，可对多个图像信号进行比较从而侦测出物体的测温边界，利用多波段热源辐射温度算法以及系统特性对被测物体表面温度进行计算，同时还可将被测物体表面的温度场进行三维表征。本发明所涵盖的单片CCD或CMOS、多图像测温及表面表征技术可以方便应用于各类中高温领域，单片CCD或CMOS的应用避免了多个成像元件带来的同步差问题以及高成本等弊端，同时可以根据被测物体的表面性质选择特定波长来提高测量的准确性，也可降低自然光反射对测量结果的影响。本发明提供了一种在苛刻条件下(中高温发热物体)对物体进行三维立体结构还原的系统及方法，由于至少三组图像的捕获是同步进行，避免了用单个CCD相机进行顺序图像捕获带来的物体表面温度数据不同步的问题，同时也不需要对物体表面进行特征点标示。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的系统沿光路包括以下组件：

1)光学镜头组1：包括至少三组光学镜头组1，每组光学镜头组1包括凸透镜和降噪光圈，光学镜头组1收集被测温物体各表面辐射信号，并对信号进行降噪、准直，至少三组光学镜头组分别安装于被测物体的四周，最好采用四组呈四面体形状排列，每两组光学镜头组1之间与被测物体中心的夹角为109.4度。四组光学镜头组1可以涵盖物体所有表面的辐射信息，同时可以获取三维立体重建必须的空间信息，而三组光学镜头组1如果要获取必要的三维立体重建空间信息，最多只能涵盖物体7/8的表面。多于四组光学镜头组1则无必要，图1表达的是四组光学镜头组1；

2)图像传导光纤2：图像传导光纤2主要由玻璃光纤束组成，可根据实际应用选择图像传导光纤的分辨率，图像传导光纤2的组数与光学镜头组1的组数相同，图像传导光纤2将光学镜头组1收集的图像信号传输至同一彩色CCD或CMOS影像元件3表面的几个不同区域；

3)彩色CCD或CMOS成像元件3及信号处理转换器4：将各图像传导光纤传输的光谱信号转化为图像信号，各图像信号包括三到四个宽波段的光信号，波段的数量通常取决于彩色CCD或CMOS表面的彩色滤光片，通常为RGB或YeMaCy；信号处理转换器4的作用是将电信号转换为数字信号，并传输至信号处理器；

4)信号处理器5：可以利用亮度阈值以及亮度梯度分布自动侦测物体的边界或者指定的阈值边界，而每个图像都包括了多波段信号，这就可以根据多波段测温原理对被测物体表面每一个点的温度进行计算，同时可以根据划定的物体表面某一点或某一区域的温度场进行计算。利用四组光学镜头组的坐标以及所拍摄图像的边界，可以对该被测物体的三维形状进行还原，进而将其表面的温度数据表征在三维模型表面。

温度计算过程：

本发明利用被测物体表面各点在不同温度时，辐射信号在不同光波波段上的差异对比来计算该点的温度。

在最理想的情况下，CCD或CMOS成像元件上每一个像素的数字信号强度与被测物体的温度的关系可以表达为方程式一：

$Q=\mathrm{\α}\·\frac{\mathrm{\π}}{4}\·{\left(\frac{D}{d}\right)}^2\·f\left(g\right)\·\frac{a}{X}\·\mathrm{\Δt}\·\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\λ}}{S}_{\mathrm{\λ}}\·\frac{C_1\·{\mathrm{\λ}}^{-5}}{e^{C_2/\mathrm{\λ}\·T}-1}\·\mathrm{d\λ}$

式中：Q＝各像素的信号强度；

＝光学镜头特性(包含光圈直径及物距)；

f(g)＝CCD或CMOS增益；

＝单位像素面积及光学镜头的放大倍数；

Δt＝曝光时间；

或CMOS所接收到的被测物体辐射能量。

本发明系统进行校准和标定后，可以任选两个影像，即可得到如下的关联式二：

$\frac{Q_i}{Q_j}=\frac{\underset{{\mathrm{\λ}}_{i,1}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{i,2}}{\∫}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ψ}}_{i,\mathrm{\λ}}{S}_{\mathrm{\λ}}\·\frac{C_1\·{\mathrm{\λ}}^{-5}}{e^{C_2/\mathrm{\λ}\·T}-1}\·\mathrm{d\λ}}{\underset{{\mathrm{\λ}}_{j,1}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{j,2}}{\∫}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ψ}}_{j,\mathrm{\λ}}{S}_{\mathrm{\λ}}\·\frac{C_1\·{\mathrm{\λ}}^{-5}}{e^{C_2/\mathrm{\λ}\·T}-1}\·\mathrm{d\λ}}$

式中：i，j＝多个波长及影像中的任意两个；

ε_λ＝被测物体的光谱发射率，该发射率往往在相近的波长范围内为常数。

在关联式二中，如果将光谱发射率视为常数，则可简化该关联式，从而得到一个只有一个未知变量(被测物体在该像素位置的温度)的简化方程，进而根据不同波段在同一像素上信号强度的比例得到该点所在表面的温度数据；另一方面，如果被测物体的光谱发射率不能按常数处理，但如果大致知道其发射率在不同波段的值，也可根据多色测温原理计算出准确的温度数据。

三维立体温度场复原(以四组图像为例)：

将四组图像利用像素阈值以及像素亮度梯度进行物体边界探测之后，即可得到四组图像边界，利用该四组图像骨架以及四组光学镜头组的特定方位，利用内插法即可确定在四个方向上该物体的投射轮廓，从而构建出该物体的立体轮廓，再进一步利用常见的空间残差插值方法进行表面重建，然后将利用二维图像上所测得温度数据重现于所构建的三维立体表面上，得到整个物体的表面温度三维分布。

本发明主要应用于较大物体表面的广幅表面温度测量或者是整个物体的三维表面温度测量及三维再现。

Claims (9)

1.三维测温成像系统，沿光路包括光学镜头组(1)、图像传导光纤(2)、成像元件、信号处理器(5)，其特征在于：所述光学镜头组(1)包括至少三组光学镜头组(1)，所述成像元件是单片彩色CCD或CMOS成像元件(3)。

2.如权利要求1所述的三维测温成像系统，其特征在于：所述光学镜头组(1)包括凸透镜和降噪光圈。

3.如权利要求1所述的三维测温成像系统，其特征在于：所述光学镜头组(1)采用四组呈四面体形状排列，每两组光学镜头组(1)之间与被测物体中心的夹角为109.4度。

4.如权利要求1所述的三维测温成像系统，其特征在于：所述图像传导光纤(2)的组数与光学镜头组(1)的组数相同。

5.如权利要求1所述的三维测温成像系统，其特征在于：在所述信号处理器(5)前还设置有信号处理转换器(4)。

6.三维测温成像系统的测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)光学镜头组收集被测温物体各表面辐射信号，并对信号进行降噪、准直；

2)图像传导光纤将光学镜头组收集的图像信号传输至同一彩色CCD或CMOS影像元件3表面的几个不同区域；

3)彩色CCD或CMOS成像元件将各图像传导光纤传输的光谱信号转化为图像信号；信号处理转换器将电信号转换为数字信号，并传输至信号处理器；

4)信号处理器进行数据处理及温度场计算。

7.权利要求6所述的三维测温成像系统的测量方法，其特征在于：步骤3所述各图像信号包括三到四个宽波段的光信号。

8.权利要求6所述的三维测温成像系统的测量方法，其特征在于：步骤4所述温度场计算是：利用亮度阈值以及亮度梯度分布自动侦测物体的边界或者指定的阈值边界，根据多波段测温原理对被测物体表面每一个点的温度进行计算，同时根据划定的物体表面某一点或某一区域的温度场进行计算。

9.权利要求6所述的三维测温成像系统的测量方法，其特征在于：步骤4所述温度场计算是：利用四组光学镜头组的坐标以及所拍摄图像的边界，对该被测物体的三维形状进行还原，进而将其表面的温度数据表征在三维模型表面。

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