CN105043552B

CN105043552B - 比色测温系统显示与标定方法

Info

Publication number: CN105043552B
Application number: CN201510202176.XA
Authority: CN
Inventors: 刘伟; 曹剑中; 段程鹏; 陈耀弘; 谢庆胜; 易波; 陈卫宁; 范哲源
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2015-04-24
Filing date: 2015-04-24
Publication date: 2018-03-02
Anticipated expiration: 2035-04-24
Also published as: CN105043552A

Abstract

本发明涉及一种比色测温系统显示与标定方法，包括1】分别对透射光路上探测器所采集的透射光路图像和反射光路上探测器所采集的反射光路图像进行预处理；2】对预处理后的图像进行配准，使透射光路图像上的每一个点在反射光路图像上都有唯一的点与之相对应形成对应点，每组对应点中的两个点对应同一物理位置，即完成图像配准；3】对配准后的两幅图像的所有像素，将对应点中的两个点求灰度值之比，然后采用图像灰度映射算法将灰度比值对应到适合显示的灰度级上，形成信息融合后的图像等步骤。该方法克服了目前焦平面比色测温系统常用比值与温度定标以及透射光路和反射光路所成像分别显示的局限性，且实现过程简单，具有应用和推广价值。

Description

比色测温系统显示与标定方法

技术领域

本发明属于红外测温领域，具体涉及红外焦平面比色测温系统显示与标定方法。

背景技术

温度测量在国防、军事、科学实验以及工农业生产中具有重要作用。红外测温技术有不破坏被测物体温度场、反应速度快、灵敏度高、测温范围广等优势，广泛应用于航天、材料、能源、冶金等领域。国内外目前已出现各种各样的红外测温方法，这些方法大致可以分为：全辐射测温法、亮度测温法、比色测温法。全辐射测温法和亮度测温法的精度受物体发射率的影响很大，为了减少物体发射率的影响，人们提出了比色测温方法。它是根据测量两个给定波长的辐射功率之比，用黑体定标的仪器来确定物体的温度。比色测温可以减小发射率对测温精度的影响，因此具有重要的应用价值。

与全辐射测温法和亮度测温法相比，比色测温法在光学系统结构上最大的特点是需要有一个光分路接收系统，即要将收集的光辐射分成两路分别进行光电转换以期进行比值运算。具体使用的分光方法有如下几种：(1)光学分光，即利用一个半透半反镜将入射光辐射分为两束；(2)分叉光纤系统；(3)棱镜分光系统，由色散棱镜展开成连续光谱而选择双通道单光路系统；(4)双色调制盘，由电机带动双色调制盘转动，光电探测器交替接收两个波段的辐射，产生两种信号。采用双色调制盘接收两个波段是分时测量的，所以图像帧频一般较低，对运动或温度变化快的高温物体误差会很大，见参考文献：齐文娟.发射率对红外测温精度的影响[D]:[硕士学位论文].长春理工大学，2006[3]。因此对于红外焦平面系统来说一般采用光学分光的方式来实现。

如图1所示，红外测温系统由光学系统、红外成像设备1、计算机数据处理系统2三部分组成。辐射光进入前镜组4，通过半透半反镜5后分为透射光和反射光，在后镜组用滤光片3实现波段选择，两台红外成像设备分别安装在两个滤光片后面进行光电转换，将输出的视频信号传递给计算机数据处理系统进行温度复原和视频显示。定标与显示方法如下，见图2：

1)调节黑体温度T₀至T_N，采集不同温度点下透射光路和反射光路成像设备得到的黑体图像；

2)找出黑体所成像在两个图片中的对应位置，计算出同温度黑体辐射条件下的灰度比值R；

3)根据辐射定律，建立比值R和温度T的关系；

4)在实际测量中，透射光路和反射光路的图像分开显示；测量时分别找出两幅图像中被测目标图像灰度，求出灰度比值，根据拟合关系反演出目标温度。

综上所述，现有定标方式是采集透射光路和反射光路的两台红外成像设备拍摄的被测目标红外图像，求出灰度之比，建立比值和温度的关系，见参考文献：徐宝昌，张丁元.一种改进的比色测温方法研究[J].光电工程，2011，38(4)：1-61，显示方式是透射光路和反射光路成像设备分别显示。这种定标和显示方式不能直观的将图像上每点的图像和温度信息进行对应。且两台设备分开显示不利于产品的便携式设计，增加了设计难度和成本。

发明内容

为了克服目前焦平面比色测温系统显示与标定方法的局限性，本发明提出一种新型焦平面比色测温系统显示与标定方法。

本发明的技术解决方案如下：

比色测温系统显示与标定方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】分别对透射光路上探测器所采集的透射光路图像和反射光路上探测器所采集的反射光路图像进行预处理；

2】对预处理后的图像进行配准，使透射光路图像上的每一个点在反射光路图像上都有唯一的点与之相对应形成对应点，每组对应点中的两个点对应同一物理位置，即完成图像配准；

3】对配准后的两幅图像的所有像素，将对应点中的两个点求灰度值之比，然后采用图像灰度映射算法将灰度比值对应到适合显示的灰度级上，形成信息融合后的图像；

4】对信息融合后的图像进行温度定标。

以上为本发明的基本方案，基于该基本方案，本发明还做出以下优化限定：

上述步骤2】中图像配准采用光学标校的配准法，具体为：

2.1】将黑体移动到远处，使得黑体辐射腔在图像上呈星点目标，让透射光路和反射光路上的两个探测器同时对黑体辐射腔成像；

2.2】当星点目标与透射光路视场中心重合时，该星点目标与反射光路视场中心存在一定的偏差，这个偏差值就是两个图像视场中心之间的平移量；

2.3】让星点目标移动三个不同的位置，通过透射光路与反射光路所成像观察到的三个星点的位置作为三角形的三个顶点，所形成的三角形面积不同，旋转角度也不同，这样就可以利用三角形之间的关系求解出缩放和旋转的量；

2.4】根据步骤2、步骤3得出的平移、缩放和旋转的量，利用三角形之间的关系求解出缩放量和旋转量，对其中一幅图像进行对应的平移、缩放和旋转得到最终配准后的图像。

本发明除光学标校的配准法以外，理论上，任何一种有效的配准方法都可以用到本发明中。现有的配准方法主要有基于互信息配准算法、基于结构特征边缘算法、基于边缘互相关算法、基于SIFT算法等。由于本发明涉及的光学系统采用共光路设计，光学系统经过标校，配准难度小，本发明采用基于光学标校的配准法，该方法属于基于标定物的配准方法，有配准时间短、算法简单、稳定性好等优点，以期得到满意的图像匹配效果。

本发明步骤3】中灰度映射算法的目的是增大图像显示的动态范围及对比度，有线性灰度变换算法和非线性灰度变换算法，都可以应用到本发明中。但是本发明将透射光路和反射光路配准后的两幅图像像素灰度之比通过灰度映射的方法形成灰度图像，属于独创。具体为：

B＝k×R+b

(0≤B_min≤B_max≤256)

其中：R为透射光路和反射光路图像配准后对应点灰度之比；

B为经信息融合后得到的最终图像灰度。

对温度的反演有两种方式：

一种方式是利用实际比色测温公式代入灰度之比R和其他参数进行反演温度T，但是由于系统仪表常数K的获取存在较大难度，且精度不高，以及本公式对低温目标测量存在较大误差，如果用公式直接推导，误差较大；

另一种方式，就是本发明采用的基于辐射定标的方法，该方法可以降低系统仪表常数的影响，获得较高精度。本发明步骤4对信息融合后的图像进行温度定标具体是通过以下方式实现的：

4.1】假设定标温度范围为T_min～T_max，将黑体加电，温度调节到T_min度，待黑体温度稳定；

4.2】采集T_min～T_max黑体的图像，每隔ΔT采集一幅信息融合后图像，每个温度点等温度稳定后再采集，记录黑体温度数据T和信息融合后图像中黑体所在区域的灰度B；

4.3】建立融合后图像灰度和温度的曲线拟合关系。

曲线拟合也称函数近似，是寻找表达离散的参量之间的某种内在函数关系。本发明需要建立温度T与融合图像灰度之间的函数关系。主要有以下几种拟合方法：

1)差值函数法；2)最小二乘法；3)多项式拟合法；4)指数拟合法等。这几种方法各有优点，均可以应用的本发明中。

本发明与现有技术相比，优点是：

本发明将透射光路和反射光路配准后的两幅图像像素灰度之比通过灰度映射的方法形成融合图像，对融合后的图像进行温度辐射定标，建立被测温度与融合后图像灰度的拟合关系。该方法克服了目前焦平面比色测温系统常用比值与温度定标以及透射光路和反射光路所成像分别显示的局限性，且实现过程简单，易于集成在红外成像处理系统中，便于比色测温产品的便携，减小了焦平面比色测温系统输出数据带宽，具有应用和推广价值。

附图说明

图1焦平面比色测温系统框图；

图2现有比色测温系统显示与定标方式；

图3比色测温系统总体流程；

图4比色测温系统实现示意图；

图5基于光学标校配准法示意图；

图6比值灰度映射示意图；

图7温度定标示意图；

图8温度拟定曲线示意图；

图9比色测温系统测温示意图。

其中附图标记为：1-红外成像设备、2-计算机数据处理系统、3-滤光片、4-前镜组、5-半透半反镜、6-设备定标黑体、7-比色测温系统、8-设备定标灰度图像。

具体实施方式

本发明中的比色测温系统总体流程图如图3所示，具体包括图像预处理、图像配准、信息融合、温度定标。实现示意图如图4所示，每个步骤的具体实施方式如下：

1.图像预处理

理想情况下，红外焦平面探测器受均匀光辐射时，各像元的输出信号幅度应完全一致。实际上，由于制作器件的半导体材料的不均匀性，掩膜误差、缺陷、工艺等因素影响，其输出幅度会出现不均匀现象，同时图像上会有一些亮点或暗点，即为盲元(也称为无效元)。非均匀性会随探测器工作环境温度的变化而变化。由于这些不均匀性的存在，表现在图像上为图像的固定空间噪声、串扰等，严重影响图像的质量，而现有的工艺技术状况使得设计具有理想均匀性的红外焦平面探测器很困难。盲元的存在降低了图像质量，导致图像对比度低。非均匀性与盲元的存在影响了后续图像处理。因此，利用先进的图像处理技术，对红外探测器成像形成的红外图像进行滤波、非均匀性矫正和盲元检测与补偿，可有效的提高红外图像的质量，为后续的图像配准等操作奠定良好的基础。

(1)红外图像帧间滤波

具体实现步骤为：

步骤1：设当前图像任意一点的灰度值为X_Now(i，j)，前一帧图像相应点的灰度值为X_Pre(i，j)，对X_Now(i，j)、X_Pre(i，j)做差值处理X_Sub(i，j)-X_Now(i，j)-X_pre(i，j)，取绝对值abs(X_Sub(i，j))。

步骤2：

如果abs(X_Sub(i，j))大于阈值θ，则X_Dst(i，j)＝X_Now(i，j)；

如果abs(X_Sub(i，j))小于等于阈值θ，对X_Now(i，j)和X_Pre(i，j)进行比较，如果X_Now(i，j)＞X_Pre(i，j)，则X_Dst(i，j)＝X_Pre(i，j)+δ；如果X_Now(i，j)＜X_Pre(i，j)，X_Dst(i，j)＝X_Pre(i，j)-δ；如果X_Now(i，j)＝X_Pre(i，j)，X_Dst(i，j)＝X_Pre(i，j)；

步骤3：

处理后将X_Dst(i，j)做为当前图像的灰度值做后续处理，并且将X_Pre(i，j)的值用X_Dst(i，j)更新。

(2)非均匀性矫正

步骤1：

两点非均匀性校正算法是取两个不同温度的黑体，测出各探测元在不同温度下的响应值，然后归一化，得到校正增益和偏移量:

O_ij＝V_L-G_ij*y_ij(φ_L)

其中V_H和V_L分别为高温和低温下所有探测元的响应平均值，y_ij(φ_H)和y_ij(φ_L)分别为探测元(i，j)在高温和低温下的16帧响应平均值。

步骤2：

利用y_ij(n)＝G_ij(n)x_ij(n)+O_ij(n)对红外图像校正，完成红外图像的非均匀性校正。

(2)盲元检测与补偿

步骤1：以像素点y(i，j)为中心提取它周围3*5模板的数据；

步骤2：对这15个数据进行排序后得到中间值Ymid(i，j)；

步骤3：求出abs(y(i，j)-ymid(i，j))的值，将它与阈值θ进行比较大小，如果条件abs(y(i，j)-ymid(i，j))＞θ满足，则将该点标志为盲点，并记录下该点的坐标值；

步骤4:对红外焦平面阵列输出的图像进行盲元补偿。补偿算法用的3*5窗口内正常探测元的均值替换盲元的输出。

2.图像配准

透射光路和反射光路两台设备采用共光路设计，理论上可以保证光路的同视轴，但是在加工、装调以及安装过程中，传感器的安装位置与设计时的安装位置会有一定的偏差，这样会导致设备两个视场中心点略有偏差，不能完全重合，使得两个传感器的图像间就存在平移、旋转，光学器件参数差异和装备差异还会导致图像旋转，在图像融合之前需要先对图像进行配准。本发明使用基于光学标校的配准法，可参考文献：孙明超.可见光与红外侦察图像融合技术研究[D]:[博士学位论文].中国科学院研究生院，2012。

具体实现步骤为：

步骤1：将黑体移动到远处，使得黑体辐射腔在图像上呈星点目标，让透射光路和反射光路两个探测器同时对黑体辐射腔成像。当星点与透射射光路视场中心重合时，与反射光路中心存在一定的偏差，这个偏差值就是两个图像视场中心之间的平移量，如图5的(a)所示；

步骤2：让星点移动三个不同的位置，通过透射射光路与反射光路所成像观察到的三个星点的位置作为三角形的三个顶点，所形成的三角形面积不同，旋转角度也不同，这样就可以利用三角形之间的关系求解出缩放和旋转的量，图5的(b)所示。

步骤3：根据步骤1、步骤2得出的平移、缩放和旋转的量，对其中一幅图像进行平移、缩放和旋转得到最终配准后的图像。

3.信息融合

对配准后的两幅图像对应点求灰度之比，然后采用图像灰度映射算法将该比值对应到适合显示的灰度级上，见图6。R为透射光路和反射光路配准后的图像灰度之比，B为经信息融合后得到的最终图像灰度，映射方法如下：

B＝k×R+b

(0≤B_min≤B_max≤256)

从比色测温原理出发对比色测温系统图像灰度映射合理性进行说明：

式中，V₁、V₂分别为两个通道图像灰度，K₁、K₂分别为两个通道的仪表常数，ε₁、ε₂分别为两个波长目标发射率，C₂为第二辐射常数，λ₁、λ₂分别为两个通道的波长。

两个通道的信号的比值R为

把目标近似灰体来处理，则有ε₁＝ε₂，由上式反演出T：

上式是实际比色测温所使用的公式，可以看出R与T是成单调关系的，所以可以采用定标的方式建立R与T的拟合公式。将本发明的图像灰度B＝k×R+b代入，可得：

上式可以看出信息融合后的图像灰度B与T是成单调关系的，所以可以采用定标的方式建立B与T的拟合公式，从而验证了本发明提出的图像灰度映射方法在比色测温系统中应用的合理性。

4.温度定标

图7为对信息融合后的图像进行温度定标过程示意图，定标温度范围为T_min～T_max，定标过程如下：

1)将黑体加电，温度调节到T_min度，待黑体温度稳定；

2)采集集T_min～T_max黑体的图像，每隔ΔT采集一幅图像。每个温度点采集时等温度稳定后再采集，记录黑体温度数据T和图像中黑体所在区域的灰度B；

3)图8为通过最小二乘法温度拟合曲线示意图，建立拟合公式：

T＝a_n×Bⁿ+a_n-1×B^n-1+......+a₁×B+a₀

图9为比色测温系统实际测温示意图，在融合后的图像上根据图像灰度和拟合公式反演出目标的温度。说明了本发明比色测温系统显示与定标的最终效果。

Claims

1.比色测温系统显示与标定方法，其特征在于：包括以下步骤：

所述图像灰度映射算法具体为：

B＝k×R+b

<mrow> <mi>b</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>B</mi> <mi>min</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>B</mi> <mi>max</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>B</mi> <mi>min</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>max</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>min</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&times;</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>min</mi> </msub> <mo>,</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>0</mn> <mo>&le;</mo> <msub> <mi>B</mi> <mi>min</mi> </msub> <mo>&le;</mo> <msub> <mi>B</mi> <mi>max</mi> </msub> <mo>&le;</mo> <mn>256</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中：R为透射光路和反射光路图像配准后对应点灰度之比；

B为经信息融合后得到的最终图像灰度；

4】对信息融合后的图像进行温度定标。

2.根据权利要求1所述的比色测温系统显示与标定方法，其特征在于：

步骤1】中对红外图像预处理包括：

1.1】基于帧间滤波算法以去除噪声；

1.2】对去噪后的图像进行非均匀性矫正；

1.3】对矫正后的图像进行盲元检测与补偿。

3.根据权利要求1所述的比色测温系统显示与标定方法，其特征在于：

步骤2】中对图像配准采用光学标校的配准法，具体为：

4.根据权利要求1所述的比色测温系统显示与标定方法，其特征在于：所述步骤4对信息融合后的图像进行温度定标具体是通过以下方式实现的：

4.3】建立融合后图像灰度和温度的拟合关系。

5.根据权利要求4所述的比色测温系统显示与标定方法，其特征在于：通过最小二乘法建立融合后图像中被测目标的灰度值和温度的拟合关系，拟合公式为：

T＝a_n×Bⁿ+a_n-1×B^n-1+......+a₁×B+a₀

其中：a_n为拟合系数；B为被测目标图像的灰度值；T为被测目标温度。