CN104748678B - 高温物体测量中图像质量补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明高温物体测量中图像质量补偿方法属于高温物体测量领域，特别涉及视觉测量高温物体时图像质量实时补偿的方法。补偿方法使用可调光强激光器照射待测高温物体表面，高温物体表面反射的激光与高温物体辐射强光经滤光片过滤后，实现大多数高温物体辐射强光的有效滤除；剩余部分高温物体辐射强光与高温物体反射激光使相机成像。根据不同温度下滤光片通带内辐射光的光强变化趋势，实时调整激光器输出光强使其与辐射光光强变化趋势相匹配，最终实现大温度梯度内高温物体特征光条清晰成像。补偿方法通过建立的补偿模型实时调整辅助激光器补偿参数，实现高温物体图像质量的实时修正，从而实现不同温度下高温物体图像的清晰获取。

Description

高温物体测量中图像质量补偿方法

技术领域

本发明属于高温物体测量领域，特别涉及视觉测量高温物体时图像质量实时补偿的方法。

背景技术

在一些工业生产或实验中需要实时观测高温物体的特征尺寸，由于机器视觉法具有非接触、测量精度高等优点，广泛应用于工业现场在线测量。而在测量高温物体时，受高温物体辐射强光影响，采集图像仅能分辨物体大致轮廓，无法获得特征边界清晰的高温物体图像，严重影响高温物体特征尺寸的准确测量。

美国专利(Patent No：US 6859285B1)OPTICAL OBSERVATION DEVICE AND METHODFOR OBSERVING ARTICLES AT ELEVATED TEMPERATURES发明了一种高温物体观测方法和装置。该装置由照明光源、相机、滤光片等组成。工作时，由照明光源辐射的电磁波投射到高温物体表面，物体表面的反射光透过滤光片后在相机上成像。该装置针对不同温度采用不同的滤光片滤除高温辐射强光，可获得较为清晰地高温物体图像。然而，针对温度时变的物体无法有效得获得清晰度稳定的高温物体图像。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对实时变化的温度下高温(800～1200℃)物体长时间连续观测的需要，克服以往各种方法的不足，发明了一种实时变化的温度下高温物体测量中图像质量补偿方法，在滤除主要的高温物体辐射光后，针对不同温度下滤光片通带内辐射光的变化趋势，实时调整辅助激光光强，减小因通带范围内辐射光强变化对高温物体图像的影响，确保不同温度下均可以拍摄到清晰的高温物体图像。

本发明的技术方案是高温物体测量中图像质量补偿方法，其特征在于，补偿方法使用可调光强激光器照射高温物体表面，高温物体反射的激光与高温物体辐射光经滤光片过滤后，仅有部分高温物体辐射光可通过滤光片使相机成像，根据不同温度下通带内辐射光强变化趋势，实时调整激光光强是指与辐射光强变化趋势相匹配，实现大温度梯度内高温物体清晰成像。补偿方法由以下步骤来确定：

步骤1：首先以图像中特征光条灰度为信号、高温物体背景灰度为噪声的图像SNR模型，图像SNR模型如下所示：

其中，为特征光条灰度，G_bf为高温物体背景灰度。

由CCD光电转换特性可知，图像灰度G与CCD单位时间受到的照度E，曝光时间t之间的关系可表示为：

G＝a(Et)^γ+G_b (2)

其中，a是CCD响应率，t是曝光时间，E是CCD单位时间受到的照度，Et为曝光量，γ是光电转换系数,γ≈1，G_b是暗电流引起的图像灰度。对于高质量CCD而言，a(tE)^γ远大于G_b。

理论SNR公式表述为：

其中，E_sl相机接收特征光条的总照度，E_bf是相机接收高温物体背景的总照度。E_l(P)是相机接收高温物体表面激光反射光的照度，E_f(T)相机接收高温物体自身辐射照度，E_a相机接收高温物体表面反射环境光的照度。

步骤2：相机接收高温物体自身辐射照度E_f(T)如下所示：

其中，M₀(λ,T)是普朗克黑体辐射公式，λ为波长，T为开尔文温度，ε是高温物体表面发射率，ds是高温物体表面上任一微面，θ是ds法矢与相机光轴的夹角，η_ccd(λ)为激光波长为λ时CCD感光响应值，μ_(λ)为激光波长为λ时滤光片透过率，Ω₀是高温物体发射总立体角，d是高温物体到相机的距离，(λ_min,λ_max)是滤光片通带范围。

步骤3：相机接收高温物体表面激光反射光的照度E_l(P)可表述为：

其中，ε是高温物体表面发射率，P是激光器输出功率，ds是高温物体表面上任一微面，θ是ds法矢与相机光轴的夹角，θ₁高温物体表面法矢与激光入射方向的夹角，η_ccd(λ)为激光波长为λ时CCD感光响应值，μ_(λ)为激光波长为λ时滤光片透过率，d₂是激光与高温物体之间的距离，Ω₀是高温物体发射总立体角，d是高温物体到相机的距离。

步骤4：相机接收高温物体表面反射环境光的照度E_a可表述为：

其中，E是CCD单位时间受到的照度，ε是高温物体表面发射率，θ是ds法矢与相机光轴的夹角，η_ccd为CCD光谱响应系数，Ω₀是高温物体发射总立体角，d是高温物体到相机之间的距离。

步骤5：基于可调光强的图像SNR实时补偿方法的补偿公式如下所示：

E_l(P)_min≥(SNR_(min)-1)·(E_f(T)+E_a) (7)

其中，SNR_(min)为满足测量要求的最小信噪比，E_l(P)_min为最小相机接收高温物体表面激光反射光的照度，E_f(T)为相机接收高温物体自身辐射照度，E_a为相机接收高温物体表面反射环境光的照度。

因E_l(P)_min是P的正比例函数，且比例系数大于0，因此不同温度下激光器功率补偿参数可表示为：

P_min≥a·(SNR_(min)-1)·(E_f(T)+E_a) (8)

上式中P_min为满足SNR_(min)要求的最小激光器输出功率，为实验相关参数，视实验现场情况决定；因此公式(8)可简化为：

P_min≥K₁E_f(T)+K₂ (9)

其中，P_min为满足SNR_(min)要求的最小激光器输出功率，K₁＝a·(SNR_(min)-1)，K₂＝a·(SNR_(min)-1)·E_a为补偿模型的两个补偿系数，E_f(T)为高温物体辐射照度，是随温度变化的变量。

本发明的有益效果是在测量高温物体时，在有效抑制高温辐射光对图像质量影响的基础上，通过建立的补偿模型实时调整辅助激光器补偿参数，实现高温物体图像质量的实时修正，从而实现不同温度下高温物体图像的清晰获取。

附图说明

图1为高温物体测量系统，其中：1为高温物体，2为激光，3为可调光强激光器，4为滤光片，5为相机，6为工作站显示器，7为特征光条，A为高温物体辐射光，B为激光反射光。

图2为不同温度下的高温物体辐射照度图,横坐标表示温度,纵坐标表示高温物体辐照度。

图3为不同温度下理论计算SNR与实际图像SNR的对比图，横坐标表示温度，纵坐标表示信噪比SNR，1为理论图像，2为实际图像。

图4为采用补偿算法后SNR变化趋势图，横坐标表示温度，纵坐标表示SNR，1为补偿后理论图像SNR，2为补偿前理论SNR，3为补偿后图像SNR，4为补偿前图像SNR。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式：

夲实施例采用图1所示高温物体测量系统，在拍摄高温物体图像时，由高温物体自身辐射光照度公式(4)可知，不同温度下高温物体自身辐射光照度会发生变化，其变化趋势如图2所示，随着高温物体温度的升高，其辐射照度急剧增强，这也是导致不同温度下拍摄的高温物体图像质量难以保证的诱因。

以一定现场工况下拍摄800℃～1250℃的高温物体为例，由公式(3)推导可知，图像质量随温度升高而降低，特别是在温度高于1100℃以后，图像质量明显下降，见图(4)。其中1为理论推导得出的不同温度下理论图像SNR值，2为不同温度下实际图像SNR值，这个图可以说明本发明提出的图像质量理论评价模型与实际图像质量变化趋势一致，且在高温区理论结果与实际结果很接近，可用于评价实际图像质量。同时，由大量实验表明：当SNR≤10以后，图像质量无法满足要求，又因为温度高于1100℃以后的图像SNR均低于10，所以需要对温度高于1100℃的高温图像进行补偿。

由公式(3)可知图像质量不仅受高温物体温度变化影响还受激光器输出参数影响，因此结合上面公式(8)提出的补偿模型求解不同温度下的理论补偿参数，并结合高温物体温度变化实时调整激光器输出参数，从而实现不同温度下图像质量的实时补偿。

通过实验分别采集采用补偿方法前后不同温度下的高温图像，由图4中图像SNR补偿结果可以表明：1100℃以上的高温图像质量得到明显提高，高温区图像SNR均不小于10，满足测量要求。

Claims (1)

1.一种高温物体测量中图像质量补偿方法，其特征在于，补偿方法使用可调光强激光器(3)照射高温物体(1)表面，高温物体(1)表面反射的激光B与高温物体(1)辐射光A经滤光片(4)过滤后，实现大多数高温物体(1)辐射光A的有效滤除，剩余部分高温物体(1)辐射光A与高温物体(1)反射激光B使相机(5)成像，其中含有特征光条(7)信息的高温物体(1)图像可由工作站显示器(6)实时观测，同时，根据不同温度下滤光片(4)通带内辐射光A的光强变化趋势，实时调整激光器(3)输出光强使其与辐射光A光强变化趋势相匹配，最终实现大温度梯度内高温物体特征光条(7)清晰成像；补偿方法由以下步骤来确定：

步骤1：首先以图像中特征光条灰度为信号、高温物体背景灰度为噪声的图像SNR模型，图像SNR模型如下所示：

${\mathrm{SNR}}_{\left(i\right)}=\frac{G_{sl}}{G_{bf}}---\left(1\right)$

其中，G_sl为特征光条灰度，G_bf为高温物体背景灰度；

由CCD光电转换特性知，图像灰度G与CCD单位时间受到的照度E，曝光时间t之间的关系表示为：

G＝a(Et)^γ+G_b (2)

其中，a是CCD响应率，t是曝光时间，E是CCD单位时间受到的照度，Et为曝光量，γ是光电转换系数，γ≈1，G_b是暗电流引起的图像灰度；对于高质量CCD而言，a(tE)^γ远大于G_b；

理论SNR公式表述为：

${\mathrm{SNR}}_{\left(T\right)}=\frac{E_{sl}}{E_{bf}}=\frac{E_l\left(P\right)+E_f\left(T\right)+E_a}{E_f\left(T\right)+E_a}=\frac{E_l\left(P\right)}{E_f\left(T\right)+E_a}+1---\left(3\right)$

其中，E_sl相机接收特征光条的总照度，E_bf是相机接收高温物体背景的总照度；E_l(P)是相机接收高温物体表面激光反射光的照度，E_f(T)相机接收高温物体自身辐射照度，E_a相机接收高温物体表面反射环境光的照度；

步骤2：相机接收高温物体自身辐射照度E_f(T)表示为：

$E_f\left(T\right)=\frac{\mathrm{\ϵ}\·ds\·\cos \mathrm{\θ}}{{\mathrm{\Ω}}_0\·d^2}\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{{\mathrm{\λ}}_{\max }}{M}_0(\mathrm{\λ},T)\·{\mathrm{\η}}_{ccd\left(\mathrm{\λ}\right)}\·{\mathrm{\μ}}_{\left(\mathrm{\λ}\right)}d\mathrm{\λ}---\left(4\right)$

其中，M₀(λ,T)是普朗克黑体辐射公式，λ为波长，T为开尔文温度，ε是高温物体表面发射率，ds是高温物体表面上任一微面，θ是ds法矢与相机光轴的夹角，η_ccd(λ)为激光波长为λ时CCD感光响应值，μ_(λ)为激光波长为λ时滤光片透过率，Ω₀是高温物体发射总立体角，d是高温物体到相机之间的距离，(λ_min,λ_max)是滤光片通带范围；

步骤3：相机接收高温物体表面激光反射光的照度E_l(P)表述为：

$E_l\left(P\right)=\frac{(1-\mathrm{\ϵ})\·ds\·cos\mathrm{\θ}\·{\mathrm{cos\θ}}_1\·{\mathrm{\η}}_{ccd\left(\mathrm{\λ}\right)}\·{\mathrm{\μ}}_{\left(\mathrm{\λ}\right)}}{5.75\×{10}^{-3}\·{d_2}^2\·{\mathrm{\Ω}}_0\·d^2}\·P---\left(5\right)$

其中，ε是高温物体表面发射率，P是激光器输出功率，ds是高温物体表面上任一微面，θ是ds法矢与相机光轴的夹角，θ₁是高温物体表面法矢与激光入射方向的夹角，η_ccd(λ)为激光波长为λ时CCD感光响应值，μ_(λ)为激光波长为λ时滤光片透过率，d₂是激光与高温物体之间的距离，Ω₀是高温物体发射总立体角，d是高温物体到相机之间的距离；

步骤4：相机接收高温物体表面反射环境光的照度E_a表述为：

$E_a=\frac{(1-\mathrm{\ϵ})\·ds\·cos\mathrm{\θ}\·{\mathrm{\η}}_{ccd}}{{\mathrm{\Ω}}_0\·d^2}\·E---\left(6\right)$

其中，E是单位时间受到的照度，ε是高温物体表面发射率，θ是ds法矢与相机光轴的夹角，η_ccd为CCD光谱响应系数，Ω₀是高温物体发射总立体角，d是高温物体到相机之间的距离；

步骤5：基于可调光强的图像SNR实时补偿方法的补偿公式如下：

E_l(P)_min≥(SNR_(min)-1)·(E_f(T)+E_a) (7)

其中，SNR_(min)为满足测量要求的最小信噪比，E_l(P)_min为最小相机接收高温物体表面激光反射光的照度，E_f(T)为相机接收高温物体自身辐射照度，E_a为相机接收高温物体表面反射环境光的照度；

因E_l(P)_min是P的正比例函数，且比例系数大于0，因此不同温度下激光器功率补偿参数表示为：

P_min≥a·(SNR_(min)-1)·(E_f(T)+E_a) (8)

上式中P_min为满足SNR_(min)要求的最小激光器输出功率，

$a=\frac{5.75\×{10}^{-3}\·{d_2}^2\·{\mathrm{\Ω}}_0\·d^2}{(1-\mathrm{\ϵ})\·ds\·\cos \mathrm{\θ}\·{\mathrm{cos\θ}}_1\·{\mathrm{\η}}_{ccd\left(\mathrm{\λ}\right)}\·{\mathrm{\μ}}_{\left(\mathrm{\λ}\right)}}$

为实验相关参数，视实验现场情况决定；因此公式8简化为：

P_min≥K₁E_f(T)+K₂ (9)

其中，P_min为满足SNR_(min)要求的最小激光器输出功率，

K₁＝a·(SNR_(min)-1)，K₂＝a·(SNR_(min)-1)·E_a为补偿模型的两个补偿系数，E_f(T)为高温物体辐射照度，是随温度变化的变量；

通过上述步骤实现高温物体图像质量的实时修正，从而实现不同温度下高温物体图像的清晰获取。