CN102749142A - 一种基于单个热成像摄像头定位热点的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于单个热成像摄像头定位热点的方法，属于信号与信息处理技术领域。其特征是每个热成像节点独立搜索热点，在其中一个节点检测到热点后，计算热点的相对位置信息，并通过无线或有线通信方式将信息发送至基站。基站根据预先建立的三维空间模型和收到的相对位置信息，计算在设备表面的热点中心的三维坐标。本发明的效果和益处是在三维空间内利用单个热成像节点定位热点，为消除热点提供参考信息，减少了热成像节点的使用数量，降低了成本。

Description

一种基于单个热成像摄像头定位热点的方法

技术领域

本发明属于信号与信息处理技术领域，涉及到在三维空间内对物体表面产生的热点进行定位。

背景技术

设备表面的热点，即局部高温现象，会影响电子设备的运行稳定性，同时也是影响制冷效率的主要原因之一。因此，在很多领域需要对热点先定位再消除。

一些研究者利用温度传感器网络监测设备表面的温度分布。如“Cool JobAllocation：Measuring the Power Savings of Placing Jobs at Cooling EfficientLocations in the Data Center”一文中介绍的HP实验室的Bash等人将大量温度传感器部署于IT设备表面用来监测温度分布，从而进行热点检测和定位。“SmartCooling of Data Centers”一文介绍了同样来自HP实验室的Patel等人除了利用传感器之外，还使用了可以感知温度分布的机器人来监测IDC室内空间的温度分布。该机器人载有一个树立的旗杆，在旗杆的不同高度装有温度传感器，还载有一台已连接无线局域网的计算机，用于数据收集和处理。机器人依靠所装载的激光器进行测绘、躲避障碍物。它由事件驱动，可以经最短路径到达指定目的地，然后测量温度分布。“添加热监控电路降低数据中心的能耗”一文介绍了Maxim公司将大量无线或有线温度传感器节点部署在IT设备表面，来定位热点区域。

上述方法均使用一维温度传感器测量“点温度”，一维传感器的优点是可以预先知道各测量点的具体位置，无需重新定位；缺点是只能获得传感器所在位置点的温度，如果热点最高温度点不在传感器所在位置，则无法准确定位热点最高温点位置。

相比温度传感器，热成像摄像头的优点是能够以图像的形式显示二维区域的温度分布，可以在更大范围内搜索热点的最高温度位置。在利用热成像摄像头对热点定位方面，一般利用两个摄像头，这两个摄像头可以是相邻的且相对位置固定(也就是立体摄像头)，也可以是分散部署的且可独立旋转的。传统方法首先完成匹配过程，即匹配两幅图像中对应的点，然后根据立体计算理论完成重建过程，即利用两幅被匹配图像中对应的点构建三维模型，从而计算匹配点位置。匹配过程普遍采用的方法是提取图像中的局部特征，然后进行匹配。这些特征对噪声和几何形变要具有一定的鲁棒性。

然而，相比于可见光图像，温度图像没有明显的边和角，因此在温度图像中提取特征点以及匹配特征点的准确性较低，从而导致定位准确度较低。在“WMSNs在云计算中心节能减排中的关键技术研究”一文中，为了提高准确性，提出利用三个热成像摄像头定位一个热点。

但是，采用2或3个热成像摄像头定位一个热点，势必要部署更多的热成像摄像头来增加空间覆盖率，才能保证监控空间内任意一个位置都能同时被2个或3个摄像头观测到。由于热成像摄像头的成本较高，为了降低成本，本发明提出利用单个摄像头定位一个热点。

已公开的可对比的技术文献有下面6篇：

[1]Bash C，Forman G.Cool Job Allocation：Measuring the Power Savings ofPlacing Jobs at Cooling Efficient Locations in the Data Center[C].USENIX AnnualTechnical Conference，Santa Clara，CA，USA，2007：363-368.

[2]Patel C D，Bash C E，Beitelmal A H.Smart Cooling of Data Centers[P].USA，6574104.

[3]Jones S，Mannas E.添加热监控电路降低数据中心的能耗.今日电子.2009(7)：49-50.

[4]刘航.WMSNs在云计算中心节能减排中的关键技术研究.大连理工大学，博士论文，2011.

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供在三维空间内利用单个热成像摄像头定位热点的方法。

本发明的技术方案如下：

热成像摄像头网络由一个基站和一些热成像节点组成。基站为一台计算机，预先根据监控范围内的空间尺寸和内部布局建立三维模型。热成像节点被分散部署在三维空间内。每个节点由一个热成像摄像头和一个具有数据处理能力和通信能力的传感器平台组成，并被固定在一个云台上。传感器平台通过控制云台的旋转来控制热成像摄像头光轴的方位角，并控制热成像摄像头拍摄温度图像。传感器平台可以对所获得的温度图像进行信息处理。节点之间以及节点与基站之间可以进行有线或无线通信。

节点的以下参数为已知，包括热成像摄像头的水平视场α^h、垂直视场α^v、焦距F，得到的温度图像的分辨率为W×H pixel。F与W的关系为F＝Wr/2/tan(α^h/2)，其中r表示热成像探测器焦平面阵列的一个像元的大小，单位mm/pixel。为了计算方面，下文中焦距F用像素表示，即这里的F/r，单位pixel。温度图像中每一个像素的灰度值对应的是目标的温度。令p(.)表示某点在图像中的坐标，如图像中点o的坐标为p(o)＝[W/2，H/2]^T。将热成像摄像头的焦点所在位置的三维坐标定义为该节点的位置，且为已知参数。令P(.)表示三维空间中某点的坐标，节点C_i的坐标可以表示为P(C_i)＝[X_Ci，Y_Ci，Z_Ci]^T。

具体方案如下：

首先，每个节点的传感器平台控制云台不断旋转，并控制热成像摄像头拍摄温度图像，然后节点在温度图像内搜索最大灰度值的像素。如果节点C_i获得温度图像I，并且I中最大灰度值大于预先定义的阈值，则C_i记录该像素(记为h)在温度图像中的坐标(记为[x_h，y_h]^T)，以及拍摄该图像时热成像摄像头光轴的方位角，即水平方位角β^h和垂直方位角β^v。然后，C_i计算直线

在三维空间的参数。

与C_i光轴的水平和垂直夹角为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}^h=\arctan ((x_h-W/2)/F)\\ {\mathrm{\γ}}^v=\arctan ((y_h-H/2)/F)\end{array}\right.---\left(1\right)$

则

的水平角和垂直角可由下式得出：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\β}\frac{h}{C_{i}h}={\mathrm{\β}}^h-{\mathrm{\γ}}^h\\ \mathrm{\β}\frac{v}{C_{i}h}={\mathrm{\β}}^v-{\mathrm{\γ}}^v\end{array}\right.---\left(2\right)$

令为

的方向矢量，则

可记为

$\stackrel{\‾}{C_{i}h}={\stackrel{\→}{l}}_i\·t+P\left(C_i\right)---\left(3\right)$

其中，

${\stackrel{\→}{l}}_i=\left[\begin{array}{c}{X}_{{\stackrel{\→}{l}}_i}\\ Y_{{\stackrel{\→}{l}}_i}\\ Z_{{\stackrel{\→}{l}}_i}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\β}\frac{v}{C_{i}h}\·\cos \mathrm{\β}\frac{h}{C_{i}h}\\ \cos \mathrm{\β}\frac{v}{C_{i}h}\·\sin \mathrm{\β}\frac{h}{C_{i}h}\\ -\sin \mathrm{\β}\frac{v}{C_{i}h}\end{array}\right]---\left(4\right)$

然后，C_i将

的参数(包括

和P(C_i))作为相对位置信息发送到基站。基站在收到C_i发送到相对位置信息后，即和P(C_i)，在预先建立的三维模型中加入以P(C_i)为原点，

为方向的射线

即

且t＞0。然后，基站在三维模型中以该射线原点为起点延射线方向搜索该射线首次与设备表面相交的交点。该交点的坐标即为所定位热点的三维坐标。

本发明的效果和益处是：基于单个热成像摄像头在三维空间内对设备表面的热点提供了一种新的定位方法。相比于利用一维温度传感器网络，本发明可以更准确的检测到热点的中心。相比于传统的利用两个或三个热成像摄像头的定位方法，本发明减少了热成像摄像头的使用数量，降低了成本。

具体实施方式

以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施方式。

在大型数据中心的热点定位。

例如在一个空间范围为20m×10m×3m的数据中心。首先，对数据中心内部三维空间的尺寸和设备尺寸进行测量，并根据设备布局，建立三维模型。具体的实施方式是将一台高性能计算机作为基站，利用Microsoft Visual C++定义一个BOOL型2000×1000×300的三维数组作为数据中心的三维空间模型，此时空间分辨率为1cm。数组中的元素对应的三维空间中的实际位置如果为空，则该元素被赋值为“1”；如果为设备或墙面等，则该元素被赋值为“0”。然后，将四个节点安装在天花板上，同时测量安装位置，将位置的三维坐标输入每个节点。至此，安装过程完毕。节点的具体参数如下：云台的旋转角度(即β^h和β^v)的误差为±0.5°，所使用的热成像摄像头的光谱范围为8～14μm，显示分辨率为0.1℃，焦距为F＝19mm，水平视场α^h为36°，垂直视场α^v为27°，每秒可以获取10帧分辨率为320×240的温度图像。

在检测过程中，每个节点在传感器平台的控制下，独立旋转搜索热点。当一个节点检测到热点后，通过公式(1)～(4)提取热点相对位置信息，然后将该信息发送至基站。基站首先根据P(C_i)在所建模型数组中确定射线

的原点对应的元素，然后延方向逐个确定属于

的元素。在确定元素的过程中，选用最近邻原则。当确定的元素值首次为“1”时，表示射线

与设备表面相交。该元素在三维空间对应的坐标，则为热点中心所处的位置。至此，完成基于单个热成像摄像头对热点的定位。

在定位性能评价中，发明人主要用定位误差来衡量定位精度，定位误差表示热点中心实际位置与估计位置的距离。发明人利用本发明所述方法对200个热点进行了定位，平均定位误差为0.18m。因为定位误差小于服务器尺寸，所以利用本发明可以在数据中心准确寻找发热的服务器设备。

Claims (1)

1.一种基于单个热成像摄像头定位热点的方法，其特征是每个热成像节点独立搜索热点，在其中一个节点检测到热点后，计算相对位置信息，并通过无线或有线通信方式将信息发送至基站，基站根据预先建立的三维空间模型和收到的相对位置信息，计算在设备表面的热点中心的三维坐标。