CN103196564A - 一种通过图像分割修正表面发射率的红外热成像测温方法 - Google Patents

Abstract

一种通过图像分割修正表面发射率的红外热成像测温方法；针对红外热像仪所拍摄目标对象表面的红外图像，利用图像分割算法，区分红外图像中发射率不同的区域；基于发射率测量仪测量不同区域的发射率，建立与红外图像像素一一对应的发射率分布矩阵，利用该发射率分布矩阵修正目标对象表面红外图像的灰度矩阵，从而得到符合目标对象表面发射率分布特征的红外图像，从而可以计算得到目标对象表面的温度场分布。现有红外热成像测温方法由于无法对目标对象表面的发射率分布进行正确设定而导致测温结果误差较大，本发明所提供的红外热成像测温方法能够有效减小误差，使得测温结果更符合目标对象表面实际的温度分布情况，该方法对设备要求简单，易于实现。

Description

一种通过图像分割修正表面发射率的红外热成像测温方法

【技术领域】

本发明涉及一种红外测温方法，尤其涉及一种通过图像分割修正表面发射率的红外热成像测温方法。 

【背景技术】

由于红外热成像测温技术具有测温速度快、测温面积大、分辨率高、非接触、不干扰被测表面温度场等优点，被广泛应用于工业加工、遥感探测、医疗诊断、防盗安全、无损检测等众多领域。红外热成像测温技术将目标对象表面视为辐射特性均匀的灰体，将整个目标对象表面的发射率视为0～1的某个定值，然后根据普朗克定律可以得到待测物体的表面温度。由于实际物体几乎不能视为理想灰体，其表面发射率情况相当复杂，不仅受材料、表面粗糙度、温度、氧化度、颜色、厚度等因素影响，一些其它因素，如表面沉积物等也会影响物体的发射率。例如，对于熟铁，当表面状况为毛面，温度为300K时，发射率为0.94；当表面状况为抛光，温度为310K时，发射率仅为0.28。对物体表面发射率的简单假设是造成红外热像仪测温结果不准确的主要因素。 

在红外测温中，为减小发射率对测量精度的影响，一般采用以下方式修正目标对象表面的发射率： 

方式一，查阅红外数据手册，选择较符合理想情况的发射率参数； 

方式二，用点温计或热电偶对红外热像仪的发射率参数进行修正；采用此方式时，要求所用的红外热像仪为发射率参数可调的； 

方式三、在目标对象的表面取两个面积相等的而元，在一个面元上涂上已知发射率的涂料，通过测量两个面元的温度值，并进行比较，从而可以得到被测对象表面的发射率； 

方式四，在目标对象表面涂上已知发射率的涂料，利用涂料已知的发射率，可以实现目标对象表面的温度测量。 

对于方式一，由于一般手册仅根据材料种类的不同对物体发射率做简单分 类，而如前所述，物体表面的发射率与多种因素有关，即使对于同一材料，表面粗糙度、制造工艺、表面洁净度、氧化程度等因素都会对发射率造成影响，因此，根据手册得到的发射率参数可做一定参考，但据此得到的红外测温结果肯定存在误差；采用方式二或方式三对发射率修正时，如果目标对象的表面情况复杂，导致同一平面不同区域内的辐射特性存在较大变化，此时，只有在采用点温计或热电偶进行发射率校正的地方或者小面积涂层处的测温结果接近目标对象的实际温度，在测温表面的其他区域存在较大误差；在方式四中，首先要求对目标对象表面进行大面积涂层，而在很多实际测温场合中，并不允许对目标对象做此处理，并且在大面积测量中，该方式存在很大不便。综上，利用红外热像仪进行辐射测温时，鉴于发射率的影响，当目标对象的表面结构复杂，不同区域的材料发射率差异较大时，测温结果将存在较大误差。 

【发明内容】

本发明结合红外热像仪工作原理，针对红外测温中由于发射率估计不合理导致的测温误差，公开一种通过图像分割修正表面发射率的红外热成像测温方法；该方法使得测温表面辐射特性不同的各个区域均得到与实际情况相吻合的发射率修正，从而提高了红外热成像的测温精度。具体测温过程分为如下四个步骤： 

步骤一、获取目标对象表面的红外图像，并对红外图像进行预处理； 

根据对测量精度以及红外图像分辨率的要求，选择合适的拍摄距离，保证所拍摄红外图像能够覆盖目标对象的大部分区域，调节红外热像仪的焦距、光圈，从而得到目标对象的清晰的红外图像； 

由于红外图像具有对比度低、信噪比低等特点，为了降低后续图像分割的难度，提高图像分割的效率，因此，首先对获取的红外图像进行平滑滤波、图像增强、图像缩放、直方图均衡化等预处理； 

步骤二、基于特征识别对图像进行区域分割； 

将步骤一获取的预处理后的红外图像进行区域分割；针对目标对象物面结构和所拍摄红外图像的特点，选择合适的图像区域分割方法，根据图像像素灰度值的相关性把图像分割成若干区域，同一区域内像素点的灰度值接近，相关 性较大，可以反映目标对象的表面发射率参数的区域一致性；对图像进行区域分割时借助matlab自带的图像处理函数，可以采用边缘检测、阈值分割、区域增长、分水岭等图像分割算法，结合具体测量精度的要求确定图像特征区域分割的精细程度及相应图像分割算法；通过对图像特征的区域分割，完成图像及目标对象表面不同发射率区域的区分，下一步根据分割结果进行发射率修正； 

步骤三：基于步骤二对目标对象红外图像的分割结果，测定目标对象表面对应各区域的发射率，修正红外图像； 

根据步骤二中目标对象红外图像区域分割的比例和相对位置，利用发射率测定仪测量各部分的红外波段发射率，所用发射率测量仪的测量波段为所用红外热像仪的工作波段； 

根据发射率测量结果建立图像的发射率分布矩阵，矩阵大小与红外图像的灰度矩阵相同，矩阵中的元素值为对应图像中相应区域的发射率；然后，对发射率分布矩阵进行划分，划分方式与步骤二中图像区域的分割方式相同。 

步骤四、建立发射率修正后的红外图像灰度矩阵，矩阵大小与发射率分布矩阵和红外图像的灰度矩阵相同，矩阵元素值为红外图像的灰度矩阵与发射率分布矩阵在对应位置处元素值的乘积，由发射率修正后的红外图像灰度矩阵可以获得发射率修正后的目标对象红外图像； 

步骤五：将步骤四求得的发射率修正后的目标对象红外图像灰度矩阵乘以所用红外热像仪的光电响应系数，根据维恩辐射定律即可计算得到目标对象表面温度场的二维分布矩阵，然后通过伪彩色处理函数进一步得到目标对象表面温度场的伪彩色图像。 

本发明的有益效果是：本发明公开一种通过图像分割修正表面发射率的红外热成像测温方法；该方法的测温精确度高，对设备的要求简单，且易于实现，能够针对目标对象表面发射率的真实情况得到表面的温度场分布，尤其适合于对精度要求较高，而目标对象表面发射率构成复杂时的红外测温，能够克服以往红外测温中由于目标对象表面发射率估计不准确而造成的误差，有广阔的应用前景。 

【说明书附图】 

图1为通过图像分割修正表面发射率的红外热成像测温方法的流程图； 

图2为火电厂空冷机组散热面的结构示意图； 

图3为火电厂空冷机组散热面的红外温度测量支架示意图； 

图4为火电厂空冷机组散热面的测温设备连接示意图。 

【具体实施方式】

现以宁夏灵武电厂600MW空冷机组为例，结合附图对本发明所公开的一种通过图像分割修正表面发射率的红外热成像测温方法就具体实施例做进一步说明： 

借助电厂空冷机组已有的清洗支架构建可移动支架31，如附图3所示。支架31顶端及底部设有滑轮，空冷机组散热面顶部和底部铺设导轨，推动支架使其平行于空冷机组散热面移动。支架上安装有红外热像仪固定装置，使红外热像仪能够灵活地安装和拆卸。在固定红外热像仪41(如附图4所示)之前，首先调整红外热像仪的焦距、曝光时间等参数，在后续的测量中，这些参数作为红外热像仪的固定设置不再改变。 

红外热像仪41与主控制器43之间通过以太网44通讯，其中，交换机42与主控制器43通过单网线连接，以太网交换机42通过网线与红外热像仪41连接，主控制机置于测量现场之外。在本实施例中，分别为红外热像仪41和以太网交换机42配备制冷装置，防止过热。 

红外热像仪拍摄时可采用两种方式进行控制：方式一，主控制机借助交换机与红外热像仪通过千兆以太网进行通讯，主控制机发送命令控制红外图像的拍摄及存储；方式二，无线遥控器控制图像拍摄；通过手持遥控器发出控制命令，控制红外热像仪的拍摄及图像存储。在实际工作中，依据红外热像仪的工作及通讯方式确定采用哪种方式。红外热像仪所拍摄的图像存储于内置SD卡中；所有图像拍摄结束后通过数据线将SD卡中的图像读入主控制机。 

具体测量过程包括以下几个步骤： 

步骤一、空冷机组散热面各部分红外图像的采集； 

拍摄空冷机组红外图像前，首先启动制冷装置；然后，由测量人员推动可移动支架至预先标记的空冷机组散热面的对应测量位置，通过主控制机发出命 令控制红外热像仪的拍摄及图像的存储；红外热像仪所拍摄的图像存储于内置SD卡中； 

步骤二、火电厂空冷机组散热面红外图像的预处理与图像的分割。 

由于红外图像具有对比度低、信噪比低等特点，对红外图像进行分割前需要对红外图像进行预处理，以降低后续分割的难度。常用的图像预处理算法有平滑滤波、直方图均衡化、图像增强等，在实际中需要根据红外图像的质量，组合运用不同的算法对图像进行预处理。 

火电厂空冷机组散热面由基管22和鳍片21纵向交错密集分布构成，基管22和鳍片21由不同的材质和涂层材料组成，具有不同的发射率。基于空冷机组散热面的结构特点，选用边缘检测算法分割出预处理后的红外图像中的基管区域及鳍片区域。根据上述区域分割结果，将红外图像的像素灰度矩阵进行分割。 

步骤三、基于步骤二获得的目标对象的区域划分结果，用发射率测定仪测定目标对象中各个区域的发射率，建立与红外图像像素一一对应的发射率分布矩阵。 

根据步骤二的分割结果，用发射率测量仪测量散热面基管及鳍片区域的发射率；建立一个大小与红外图像的灰度矩阵相同的空矩阵，记为发射率分布矩阵，并对所建立的发射率分布矩阵进行划分，划分方式与步骤二中图像区域的分割方式相同；发射率分布矩阵中的元素值为对应图像中相应区域的发射率。 

步骤四、建立发射率修正后的红外图像灰度矩阵，矩阵大小与发射率分布矩阵和红外图像的灰度矩阵相同，矩阵元素值为红外图像的灰度矩阵与发射率分布矩阵在对应位置处元素值的乘积，由发射率修正后的红外图像灰度矩阵可以获得发射率修正后的目标对象红外图像。 

步骤五：计算火电厂空冷机组散热面温度场。 

将步骤四求得的发射率修正后的目标对象红外图像灰度矩阵乘以所用红外热像仪的光电响应系数，根据维恩辐射定律即可计算得到目标对象表面温度场的二维分布矩阵，然后通过伪彩色处理函数进一步得到目标对象表面温度场的伪彩色图像。 

以上所述，仅为本发明具体实施方法的基本方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的人员在本发明公开的技术范围内，可想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。所有落入权利要求的等同的含义和范围内的变化都将包括在权利要求的范围之内。 

Claims (3)

1.本发明公开一种通过图像分割修正表面发射率的红外热成像测温方法；针对红外热像仪所拍摄目标对象表面的红外图像，利用图像分割算法，区分红外图像中发射率不同的区域；基于发射率测量仪测量各不同区域的发射率，建立与红外图像像素一一对应的发射率分布矩阵，利用该发射率分布矩阵修正目标对象表面的红外图像的灰度矩阵，从而得到符合目标对象表面发射率分布特征的红外图像；由修正后的红外图像计算得到目标对象表面的温度场分布。现有红外热成像测温方法由于无法对目标对象表面的发射率分布进行正确设定而导致测温结果误差较大，本发明所提供的红外热成像测温方法能够有效减小误差，使得测温结果更符合目标对象表面实际的温度分布情况，该方法对设备要求简单，易于实现；其特征在于，包括以下五个步骤：

步骤一、用红外热像仪拍摄目标对象表面的红外图像，对所拍摄的红外图像进行滤波、平滑等预处理；

步骤二、利用合适的图像分割算法，区分红外图像中发射率不同的区域；

步骤三、基于步骤二获得的目标对象的区域划分结果，用发射率测定仪测定目标对象中各个区域的发射率，建立与红外图像像素一一对应的发射率分布矩阵；

(1)首先，建立一个大小与红外图像的灰度矩阵相同的空矩阵，记为发射率分布矩阵，并对所建立的发射率分布矩阵进行划分，划分方式与步骤二中图像区域的分割方式相同；

(2)然后，用发射率测定仪测定目标对象中各个区域的发射率，并将各个区域的发射率赋值于发射率分布矩阵的相应划分块中的元素，由此，建立了与红外图像的灰度矩阵对应的发射率分布矩阵；

步骤四、建立发射率修正后的红外图像灰度矩阵，矩阵大小与发射率分布矩阵和红外图像的灰度矩阵相同，矩阵元素值为红外图像的灰度矩阵与发射率分布矩阵在对应位置处元素值的乘积，由发射率修正后的红外图像灰度矩阵可以获得发射率修正后的目标对象红外图像，

步骤五：将步骤四求得的发射率修正后的目标对象红外图像灰度矩阵乘以所用红外热像仪的光电响应系数，根据维恩辐射定律即可计算得到目标对象表面温度场的二维分布矩阵，然后通过伪彩色处理函数进一步得到目标对象表面温度场的伪彩色图像。

2.根据权利要求1所述的一种通过图像分割修正表面发射率的红外热成像测温方法，其特征在于，步骤一中红外热像仪可以为一台或多台，可以一次拍摄整个目标对象表面的红外图像，或者分区域多次拍摄目标对象表面的红外图像。

3.根据权利要求1所述的一种通过图像分割修正表面发射率的红外热成像测温方法，其特征在于，步骤一中由图像分割得到的图像中发射率不同的各个区域为物理上有意义的连通区域，同一区域对应于发射率一致的目标对象部分，可以根据具体的测量精度要求确定图像区域分割的精细程度和相应的图像分割算法。

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