CN104180908A - 一种raw图像辐射测温装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明RAW图像辐射测温方法，步骤如下，CCD摄像机中输出RAW格式图像数据，经线性插值后保存为真色彩RGB图像；由RAW格式图像数据得到的RAW图像灰度信号设置CCD摄像机曝光时间；从真色彩RGB图像中提取各通道谱色值；由谱色值与曝光时间的比值得到图像检测数据；将通过黑体炉标定图像检测数据与入射辐射强度之间的转换比例系数作为标定常数；通过CCD摄像机连续采集辐射图像，提取每个像素R、G或B中任意两个通道的谱色信号和曝光时间信号；由标定常数修正为对应提取的两个基色波长下的单色辐射强度信号，根据比色测温原理得到图像温度及辐射率。本发明测温装置包括CCD摄像机、硬杆内窥镜、网络交换机和后台服务器。

Description

一种RAW图像辐射测温装置及方法

技术领域

本发明涉及辐射图像测温技术，具体为一种RAW图像辐射测温装置及其方法。

背景技术

基于多光谱比色原理的辐射图像测温方法原理简单(CN101476939，一种双CCD温度场测量装置及方法；CN200920107971，一种基于彩色CCD的多谱色辐射测温装置；CN201210417758，一种测量目标真实温度的辐射测温方法和仪器)，制约其推广应用的瓶颈在于测量元件的动态响应范围，主要涵盖两个方面：1)响应火焰亮度梯度变化，即兼顾信号过强和过弱，由各谱色通道相对量限定；2)响应不同温度下火焰辐射，即适应燃烧工况的变化，由各谱色通道绝对量限定。

CCD图像传感器被广泛用来获取火焰辐射图像，其动态响应范围主要决定于快门速度(曝光时间)和白平衡两项参数。相关研究通过设置白平衡增益组合来获得动态响应范围更宽的火焰图像检测能力，如中国专利ZL01106579.6公开的一种炉膛燃烧温度图像检测方法；中国专利CN200710202226公开的一种高动态范围图片撷取装置及方法，则利用多快门图像软件合成来实现高动态范围的图片拍摄。

随着CCD硬件水平和图像处理技术的发展，RAW格式图像数据开始受到广泛关注，如中国专利CN201010238438所公开的基于数码相机的图像亮度计及其测量方法，就是利用RAW图像来测量场景亮度；又如中国专利CN200810082245所公开的图像捕获设备和图像处理方法。RAW图像就是CMOS/CCD图像传感器将捕捉到的光源信号转化为数字信号的原始数据，存储为CFA彩色滤波数组，数据位数一般为12或14位(由A/D转换电路决定)。与jpeg或bmp图像相比，RAW图像不受色彩空间、锐化值、白平衡、对比度、降噪等相机设置的影响，保留了被测对象原始辐射信息，更适合用于辐射图像测温分析。RAW数据的高位数能够扩展各谱色通道的数值范围，从而改善其相对分布，但在各谱色绝对量限定上，测温过程仍然受到相机快门速度的制约。并且传统的辐射图像测温方法中，需要对每个相机快门速度分别进行标定，并拟合得到不同快门速度下的标定常数，而且测量时所选快门速度必须与标定过程的一致，这极大增加了标定过程的复杂性，制约了辐射测温方法的应用范围。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种标定简单，高精度，宽动态范围的RAW图像辐射测温装置及方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明一种RAW图像辐射测温方法，包括如下步骤，

1)RAW图像采集及保存；从CCD摄像机中输出RAW格式图像数据，经线性插值后，保存为真色彩RGB图像；

2)数据处理；根据RAW格式图像数据计算得到RAW图像灰度信号，根据RAW图像灰度信号设置CCD摄像机曝光时间，并记录保存曝光时间信号；从真色彩RGB图像中提取各通道谱色值；由谱色值与曝光时间的比值得到图像检测数据；

3)黑体炉标定；通过黑体炉标定图像检测数据与黑体炉的入射辐射强度之间的转换比例系数，得到作为标定常数的转化比例系数；

4)图像温度及辐射率计算；通过CCD摄像机连续采集辐射图像，提取每个像素R、G或B中任意两个通道的谱色信号和曝光时间信号；由标定常数修正为对应提取的两个基色波长下的单色辐射强度信号，根据比色测温原理计算得到图像温度及辐射率。

优选的，步骤1)中，CCD摄像机图像输出选择为Bayer-RGGB模式，线性插值采用如下公式：

P_red＝R P_green＝(G₁+G₂)/2 P_blue＝B

式中，(P_red,P_green,P_blue)为真色彩图像中每个像素RGB通道谱色值；(R,G₁,G₂,B)为RAW图像中CFA彩色滤波数组。

优选的，步骤2)中，调整CCD摄像机曝光时间的依据为保证图像平均灰度处于控制范围内，如下公式所示：

$G_{\min }\≤{(\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{W}{\mathrm{\Σ}}}G(i,j)/L/W)}_S\≤G_{\max }$

式中，G(i,j)为像素单元(i,j)对应的灰度信号；L、W为CCD摄像机靶面尺寸；S为CCD摄像机曝光时间，单位为ms；G_min、G_max为灰度信号控制范围。

优选的，步骤3)中，利用黑体炉标定获得如下3个转换比例系数：

$\begin{array}{ccc}{k}_r=I_{{\mathrm{\λ}}_r,B}/(P_{\mathrm{red}}/S)& k_g=I_{{\mathrm{\λ}}_g,B}/(P_{\mathrm{green}}/S)& k_b=I_{{\mathrm{\λ}}_b,B}/(P_{\mathrm{blue}}/S)\end{array}$

式中，(k_r,k_g,k_b)为RGB三通道光谱响应系数，在RAW图像中，其形式为三个常数；(λ_r,λ_g,λ_b)为CCD摄像机红、绿、蓝三基色光谱响应特征波长，其值分别为λ_r＝610nm，λ_g＝510nm，λ_b＝460nm；(I_λr,B,I_λg,B,I_λb,B)为三基色特征波长对应下的黑体单色辐射强度，单位为W/m³/sr。

优选的，步骤4)中，针对R和G通道，图像温度及辐射率采用如下公式计算：

$T=-C_2*({\mathrm{\λ}}_r^{-1}-{\mathrm{\λ}}_g^{-1})/\ln \left(\frac{k_r*(P_{\mathrm{red}}/S)*{\mathrm{\λ}}_r^5}{k_g*(P_{\mathrm{green}}/S)*{\mathrm{\λ}}_g^5}\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_r}=\mathrm{\π}{k}_r*(P_{\mathrm{red}}/S)*{\mathrm{\λ}}_r^5*\exp (C_2/{\mathrm{\λ}}_{r}T)/C_1$

式中，T为图像温度，单位为K；为图像单色辐射率；C₁,C₂为Planck常数，其值分别为3.742*10^-16W/m²和1.4388*10^-2m·K。

本发明一种基于本发明所述测量方法的RAW图像辐射测温装置，包括CCD摄像机、硬杆内窥镜、网络交换机和后台服务器；硬杆内窥镜连接在CCD摄像机图像输入端；CCD摄像机通过Gige网线与网络交换机连接，网络交换机输出端连接多个用于远程控制的后台服务器。

优选的，CCD摄像机采用数字式CCD摄像机。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述的方法通过CCD摄像机提取RAW格式图像数据，调整CCD摄像机的曝光时间，采用谱色值与相机曝光时间的比值作为图像检测信号，能够消除相机快门、白平衡设置对辐射测温的影响，提高测温精度，同时还消除了RGB三通道谱色值的制约，拓宽了测量元件动态响应范围。并且在RAW图像中，当入射辐射强度一定时，各谱色值与曝光时间成正比例关系，因此标定系数(k_r,k_g,k_b)与相机快门速度、白平衡设置无关，为三个常数项；标定过程只需要在一个快门速度下进行，显著降低了标定过程的复杂性，提高了标定精度，从而保证了图像温度和辐射率的精确计算。

本发明所述的装置，利用能够灵活拆卸的硬杆内窥镜提高了CCD摄像机的适用范围，能够根据不同的工作环境进行适应性调整；图像数据及相机控制信号共用一根Gige网线传输，装置结构简单；Gige网线中段布置有交换机，延长数据传输距离，并可将图像及数据同时传输到不同位置处的多台服务器，实现对CCD摄像机的远程控制。

进一步的，能够在数字式CCD摄像机中直接实现A/D转换，不需要加装视频采集卡，简化了结构连接，提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明所述测量装置的结构示意图。

图2为本发明中黑体炉对R和G两个通道的标定曲线示意图。

图中：1为硬杆内窥镜，2为CCD摄像机，3为Gige网线，4为网络交换机，5为服务器。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种RAW图像辐射测温方法，测量步骤如下，

1)利用CCD摄像机拍摄被测对象辐射图像，提取RAW格式图像数据，经线性插值后，保存为真色彩RGB图像，线性插值采用公式(1)：

P_red＝R P_green＝(G₁+G₂)/2 P_blue＝B    (1)

式中，(P_red,P_green,P_blue)为真色彩图像中每个像素RGB通道谱色值；(R,G₁,G₂,B)为RAW图像中CFA彩色滤波数组，其数值范围由CCD摄像机数据的A/D转换位数决定。

2)数据处理；根据RAW格式图像数据计算得到RAW图像灰度信号，根据RAW图像灰度信号设置CCD摄像机2的曝光时间，并记录保存曝光时间信号，曝光时间为快门速度的倒数；根据RGB图像提取谱色值；由谱色值与曝光时间的比值得到图像检测数据；调整曝光时间的依据为保证图像平均灰度处于控制范围内，如公式(2)所示：

$G_{\min }\≤{(\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{W}{\mathrm{\Σ}}}G(i,j)/L/W)}_S\≤G_m---\left(2\right)$

式中，G(i,j)为像素单元(i,j)对应的灰度信号；L、W为CCD摄像机靶面尺寸；S为CCD摄像机曝光时间，单位为ms；G_min、G_max为灰度信号控制范围，根据图像数据位数确定。

3)黑体炉标定；通过黑体炉标定图像检测数据与黑体炉入射辐射强度之间的转换系数，得到做为标定常数的转化比例系数；如公式(3)所示，这里的图像检测数据采用谱色值与相机曝光时间的比值：

$\begin{array}{ccc}{k}_r=I_{{\mathrm{\λ}}_r,B}/(P_{\mathrm{red}}/S)& k_g=I_{{\mathrm{\λ}}_g,B}/(P_{\mathrm{green}}/S)& k_b=I_{{\mathrm{\λ}}_b,B}/(P_{\mathrm{blue}}/S)\end{array}----\left(3\right)$

式中，(k_r,k_g,k_b)为RGB三通道光谱响应系数，即标定系数。RAW图像的黑体炉标定曲线如图2所示，图中横坐标为各谱色值和曝光时间的比值信号，纵坐标为入射辐射光强信号，这里仅给出R和G两个通道的标定曲线(B通道曲线与此类似)，两条曲线均为过原点的直线，表明各谱色值和曝光时间的比值信号与入射辐射光强信号成正比例关系，比例系数即标定系数为三个常数，与相机快门速度、白平衡设置无关，这样每个黑体炉温度下只需要标定一个相机快门速度，将大大降低标定过程的复杂性；(λ_r,λ_g,λ_b)为CCD摄像机红、绿、蓝三基色光谱响应特征波长，其值分别为λ_r＝610nm，λ_g＝510nm，λ_b＝460nm；(I_λr,B,I_λg,B,I_λb,B)为三基色特征波长对应下的黑体单色辐射强度，单位为W/m³/sr。

4)图像温度及辐射率计算；通过CCD摄像机(2)连续采集辐射图像，提取每个像素R、G或B中任意两个基色通道谱色信号和相机曝光时间信号，由标定常数修正为对应提取的两个基色波长下的单色辐射强度信号，根据比色测温原理计算得到图像温度及辐射率，以R和G通道为例，如公式(4)所示：

$T=-C_2*({\mathrm{\λ}}_r^{-1}-{\mathrm{\λ}}_g^{-1})/\ln \left(\frac{k_r*(P_{\mathrm{red}}/S)*{\mathrm{\λ}}_r^5}{k_g*(P_{\mathrm{green}}/S)*{\mathrm{\λ}}_g^5}\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_r}=\mathrm{\π}{k}_r*(P_{\mathrm{red}}/S)*{\mathrm{\λ}}_r^5*\exp (C_2/{\mathrm{\λ}}_{r}T)/C_1---\left(4\right)$

式中，T为图像温度，单位为K；为图像单色辐射率；C₁,C₂为Planck常数，其值分别为3.742*10^-16W/m²和1.4388*10^-2m·K。

本发明所述的测量装置，其结构原理如图1所示，包括CCD摄像机2、硬杆内窥镜1、网络交换机4和后台服务器5；硬杆内窥镜1连接在CCD摄像机2图像输入端；CCD摄像机2通过Gige网线与网络交换机4连接，网络交换机4输出端连接多个用于远程控制的后台服务器5。本优选实施例中CCD摄像机2采用数字式CCD摄像机。利用数字式CCD摄像机2和Gige网络传输技术，构建了一套辐射图像测温装置，并采用网络交换机4中继方式延长了数据传输距离，实现了图像数据包的分发；提取RAW格式图像数据，远程自动调整CCD摄像机2曝光时间，采用谱色值与相机曝光时间的比值作为检测信号，能够消除相机快门速度、白平衡设置对辐射测温的影响，降低标定过程的复杂性，拓宽测量元件动态响应范围，提高测温精度。

Claims (7)

1.一种RAW图像辐射测温方法，其特征在于，包括如下步骤，

1)RAW图像采集及保存；从CCD摄像机(2)中输出RAW格式图像数据，经线性插值后，保存为真色彩RGB图像；

2)数据处理；根据RAW格式图像数据计算得到RAW图像灰度信号，根据RAW图像灰度信号设置CCD摄像机(2)曝光时间，并记录保存曝光时间信号；从真色彩RGB图像中提取各通道谱色值；由谱色值与曝光时间的比值得到图像检测数据；

3)黑体炉标定；通过黑体炉标定图像检测数据与黑体炉的入射辐射强度之间的转换比例系数，得到作为标定常数的转化比例系数；

4)图像温度及辐射率计算；通过CCD摄像机(2)连续采集辐射图像，提取每个像素R、G或B中任意两个通道的谱色信号和曝光时间信号；由标定常数修正为对应提取的两个基色波长下的单色辐射强度信号，根据比色测温原理计算得到图像温度及辐射率。

2.根据权利要求1所述的一种RAW图像辐射测温方法，其特征在于，步骤1)中，CCD摄像机图像输出选择为Bayer-RGGB模式，线性插值采用如下公式：

P_red＝R P_green＝(G₁+G₂)/2 P_blue＝B

式中，(P_red,P_green,P_blue)为真色彩图像中每个像素RGB通道谱色值；(R,G₁,G₂,B)为RAW图像中CFA彩色滤波数组。

3.根据权利要求1所述的一种RAW图像辐射测温方法，其特征在于，步骤2)中，调整CCD摄像机曝光时间的依据为保证图像平均灰度处于控制范围内，如下公式所示：

$G_{\min }\≤{(\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{W}{\mathrm{\Σ}}}G(i,j)/L/W)}_S\≤G_{\max }$

式中，G(i,j)为像素单元(i,j)对应的灰度信号；L、W为CCD摄像机靶面尺寸；S为CCD摄像机曝光时间，单位为ms；G_min、G_max为灰度信号控制范围。

4.根据权利要求1所述的一种RAW图像辐射测温方法，其特征在于，步骤3)中，利用黑体炉标定获得如下3个转换比例系数：

$\begin{array}{ccc}{k}_r=I_{{\mathrm{\λ}}_r,B}/(P_{\mathrm{red}}/S)& k_g=I_{{\mathrm{\λ}}_g,B}/(P_{\mathrm{green}}/S)& k_b=I_{{\mathrm{\λ}}_b,B}/(P_{\mathrm{blue}}/S)\end{array}$

式中，(k_r,k_g,k_b)为RGB三通道光谱响应系数，在RAW图像中，其形式为三个常数；(λ_r,λ_g,λ_b)为CCD摄像机红、绿、蓝三基色光谱响应特征波长，其值分别为λ_r＝610nm，λ_g＝510nm，λ_b＝460nm；(I_λr,B,I_λg,B,I_λb,B)为三基色特征波长对应下的黑体单色辐射强度，单位为W/m³/sr。

5.根据权利要求1所述的一种RAW图像辐射测温方法，其特征在于，步骤4)中，针对R和G通道，图像温度及辐射率采用如下公式计算：

$T=-C_2*({\mathrm{\λ}}_r^{-1}-{\mathrm{\λ}}_g^{-1})/\ln \left(\frac{k_r*(P_{\mathrm{red}}/S)*{\mathrm{\λ}}_r^5}{k_g*(P_{\mathrm{green}}/S)*{\mathrm{\λ}}_g^5}\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_r}=\mathrm{\π}{k}_r*(P_{\mathrm{red}}/S)*{\mathrm{\λ}}_r^5*\exp (C_2/{\mathrm{\λ}}_{r}T)/C_1$

式中，T为图像温度，单位为K；为图像单色辐射率；C₁,C₂为Planck常数，其值分别为3.742*10^-16W/m²和1.4388*10^-2m·K。

6.一种基于如权利要求1所述测量方法的RAW图像辐射测温装置，其特征在于，包括CCD摄像机(2)、硬杆内窥镜(1)、网络交换机(4)和后台服务器(5)；硬杆内窥镜(1)连接在CCD摄像机(2)图像输入端；CCD摄像机(2)通过Gige网线与网络交换机(4)连接，网络交换机(4)输出端连接多个用于远程控制的后台服务器(5)。

7.根据权利要求6所述的一种RAW图像辐射测温装置，其特征在于，所述的CCD摄像机(2)采用数字式CCD摄像机。