CN105354859B - 一种火焰可见光辐射标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种火焰可见光辐射标定方法，包括图像采集步骤、图像处理步骤、辐射强度计算步骤和数据拟合步骤。本发明利用影像采集设备良好的光强线性响应特性，借助高温黑体炉得到各温度和曝光时间下的黑体炉温度图像，拟合得到三个通道辐射强度与各通道颜色值和曝光时间比值间的函数关系式，从而建立起影像采集设备输出的火焰图像与其接收到的火焰可见光辐射能之间的定量关系。本发明采取了分段标定拟合，将图像颜色值与曝光时间相结合，并考虑了设备的光谱响应特性，克服了传统方法用三基色代表性波长代替设备的整个响应谱带对精度的影响。本发明提出的标定方法具有简单易行、工作量小、精度高的优点，科研与工业应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明属于影像采集设备的火焰可见光辐射标定方法，具体涉及建立影像采集设备输出的火焰图像与其接收到的火焰可见光辐射能之间的定量关系，这种定量关系在基于火焰图像处理计算火焰温度中至关重要。
背景技术
火焰温度是反映燃烧状态的一个重要参数，其准确测量对于了解燃烧过程和完善燃烧理论具有重要指导意义。火焰温度的测量技术大致分为接触式和非接触式两大类。在非接触测温中，近年来随着成像技术的发展，影像采集设备配置参数逐渐提高，且其在工业应用中具有寿命长、耐灼伤、高清晰度、抗震动及体积小等优点，国内外越来越多的研究者开始利用火焰图像开展温度和辐射特性测量研究，并且取得了长足的进展。火焰图像能够最直接最真实的反映火焰的燃烧状况，可以提供丰富的燃烧信息。基于火焰图像法的计算机图像处理测温技术即利用影像采集设备获取燃烧火焰的彩色图像，经过图像采集卡量化后送入计算机，再由计算机图像处理技术进行相应的处理与计算，最后获得火焰温度及辐射特性。
在利用火焰图像法进行温度及辐射特性测量时，由于影像采集设备要经过光电转换、模数转换等一系列中间过程，最后进入计算机内的火焰图像已有一定程度的失真，图像R、G、B三通道的颜色值(R、G、B值)已不能完全反映火焰辐射对象的辐射能量，因此必须对所得图像进行修正即可见光辐射的标定。对其进行标定的依据是恢复火焰辐射对象的光谱特性。通过标定，找到图像各通道颜色值与对应通道相对光谱响应波长范围内辐射强度之间的函数关系，这为探索利用不同波长的光信号检测火焰温度及辐射特性提供了可能。
现有标定方法对多个快门进行标定，工业应用不便，且现有标定方法用三基色代表性波长代替影像采集设备的整个响应谱带，忽略了带宽对精度的影响。
发明内容
针对现有技术的以上问题，本发明提出了一种火焰可见光辐射标定方法，该方法考虑了影像采集设备的光谱响应特性，并将曝光时间与各通道颜色值相结合，解决了现有标定方法中精度较低，工业应用不便的技术难题。
本发明实施步骤为：
(1)图像采集步骤：开启黑体炉，从所需标定温度范围的最低值开始标定；在每一标定温度点，在黑体炉温度稳定后，利用影像采集设备，以曝光时间t从小到大的顺序，依次获取各曝光时间t下的黑体炉靶面图像，直到该图像R值饱和，得到该温度点各曝光时间t下的标定图像，完成该温度点的图像采集；所述影像采集设备的日夜转换模式设置为白天，光圈和白平衡固定，并关闭自动增益功能，所述影像采集设备曝光时间t间隔的选取原则，以使在该温度点相邻两个曝光时间t的R值相差10-20为准；
(2)将黑体炉按标定温度间隔，升温至下一个标定温度点，重复步骤(1)，直到完成所有标定温度点图像数据的采集；所述标定温度间隔根据标定精度确定；
(3)图像处理步骤：取第i个标定温度点的图像数据，提取其中的R、G、B通道颜色值R(i)、G(i)、B(i)；滤除该温度点系统误差后，将各R(i)、G(i)、B(i)除以其对应曝光时间t，得到的R0(i)、G0(i)、B0(i)，将R0(i)、G0(i)、B0(i)分别取算术平均，剔除大误差数据点后，再取算术平均，得到R1(i)、G1(i)、B1(i)；如此得到其它所有标定温度点的R1(i)、G1(i)、B1(i)，i＝1..N，N为根据标定精度确定的标定温度点总数；
(4)辐射强度计算步骤：根据下式，计算出各标定温度点的辐射强度Er(i)、Eg(i)、Eb(i)：
Iλ是绝对黑体的单色辐射强度，由普朗克辐射定律得到；ηr,λ、ηg,λ、ηb,λ分别为根据成像系统的R、G、B通道相对光谱响应效率曲线拟合出的光谱响应函数，λ2、λ1分别为R通道响应波长上、下限值，λ4、λ3分别为G通道响应波长上、下限值，λ6、λ5分别为B通道响应波长上、下限值；
(5)数据拟合步骤：将步骤(3)求出的各温度下的R1(i)、G1(i)、B1(i)和根据步骤(4)求出的对应温度下的辐射强度Er(i)、Eg(i)、Eb(i)进行拟合，得到火焰可见光辐射的标定公式。
进一步的，所述的火焰可见光辐射标定方法中，步骤(5)所述的拟合是指多项式拟合，也可以是其它拟合方式，多项式拟合阶数根据精度要求确定，阶数越高，精度越高。
进一步的，所述的火焰可见光辐射标定方法中，所述的影像采集设备包括数码摄像机、数码照相机等。
进一步的，所述的火焰可见光辐射标定方法中，步骤(2)中的标定温度间隔为10-50℃。间隔太小则无实际意义(黑体炉温度分辨率一般为1℃左右)，间隔太大则标定精度较差。
进一步的，所述的火焰可见光辐射标定方法中，所述步骤(5)中，在标定温度范围内，选择100-200℃的温度间隔进行分段拟合。分段间隔太小，则标定公式较为繁琐；间隔过大，则标定公式精度降低。
进一步的，所述的火焰可见光辐射标定方法中，所述步骤(3)中，R0(i)、G0(i)、B0(i)以大于平均值的3％为大误差点。在该标定温度点，各曝光时间下的图像数量较多时，大误差点阈值可以适当减小，数量较少时阈值可以适当增大。
进一步的，所述的火焰可见光辐射标定方法中，所述步骤(3)中所求各标定温度下的R1(i)、G1(i)、B1(i)取常用对数处理；步骤(4)所求各标定温度下的辐射强度Er(i)、Eg(i)、Eb(i)取自然对数处理。将数据取对数处理，可以缩小标定公式中自变量和因变量的数量级差异，提高拟合精度。
本发明提出的方法，在火焰温度及辐射特性检测中，建立起影像采集设备输出的火焰图像与其接收到的火焰可见光辐射能之间的定量关系。本发明利用影像采集设备良好的光强线性响应特性，借助高温黑体炉得到各温度和曝光时间下的黑体炉温度图像，提取出R、G、B值，拟合得到三通道(实际应用时只需其中两通道即可，一般选取R、G通道)光谱响应范围内的辐射强度与各通道颜色值和曝光时间比值间的函数关系式。
本发明将图像颜色值与曝光时间相结合，采取分段标定拟合，并考虑了影像采集设备的光谱响应特性，得到一种全新的标定方法。此标定方法具有简单易行、工作量小、精度高的优点，科研与工业应用前景广阔。
附图说明
图1是实施例标定实验示意图；
图2是实施例标定步骤流程框图；
图3是实施例标定温度在1200℃时各曝光时间t下的标定图像；
图4是实施例标定温度在1200℃时R1(i)、G1(i)与曝光时间t的关系图；
图5是实施例成像系统R、G、B三通道相对光谱响应效率曲线；
图6是实施例分段拟合的标定函数Er＝f(R3)，Eg＝f(G3)的关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本实施例下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1是标定系统的示意图。该系统由数字式彩色摄像机，计算机，高温黑体炉，数据线组成。用于标定的设备为数字式彩色摄像机，摄像机需对光线强度线性响应良好。
图2是实施例标定步骤流程框图。以本实施例所采用MER-200-14GC数字式彩色CCD摄像机为例，对其R和G通道进行火焰可见光辐射标定(实际应用时一般选择R和G通道)。为更清楚表达，本实施例用i表示第i个标定温度点，i＝1..N，N为标定温度点总数；标定温度范围为900-1600℃，间隔20℃采集一组标定图像，每140℃拟合一组标定公式；图像的采集处理过程以1200℃的标定温度点(i＝16)为例进行说明。
下面针对设定对象，对本发明方法进行说明。
1、图像采集步骤：依照图1组装并调试好各设备，首先将摄像机的日夜转换模式设置为白天，光圈和白平衡设置为手动，关闭自动增益功能；标定图像从所需标定温度范围的最低值开始采集，本例为900℃；在该标定点图像采集完成后依次升温，标定温度间隔本例采用20℃；
具体图像采集本例以采集1200℃时标定图像(i＝16)为例进行说明，待黑体炉炉温稳定后，用摄像机以曝光时间t从小到大的顺序依次获取该温度点各曝光时间t下的图像，直到图像R通道颜色值饱和(R＝255)后，至此完成该温度点的标定图像采集工作，其中摄像机曝光时间t的间隔的选取原则为：所选曝光时间t能使在该温度点，相邻两个曝光时间t下的R值相差10-20，本例R值间隔为15，曝光时间间隔为0.0004秒；图3为1200℃时各曝光时间t的标定图像。该温度点标定图像采集完成后，将黑体炉升温20℃至下一个待标定温度点重复上述过程，完成其它温度点标定图像的采集工作。
2、图像处理步骤：以处理1200℃(i＝16)时标定图像为例进行说明。将各曝光时间t下黑体炉标定图像中心靶面区域57×57像素点的R、G通道颜色值提取出并分别取平均，得到R0(i)、G0(i),此处代表1200℃标定图像。然后以曝光时间t为自变量，以对应曝光时间t的R0(i)、G0(i)为因变量，利用Origin绘图软件的多项式拟合功能拟合一组一次函数:
得到截距(截距为系统误差)。
令(滤除系统误差并除以各自曝光时间t)。
从以曝光时间t为横坐标，对应的R1(i)、G1(i)为纵坐标得到关系图(如图4)可知，各曝光时间t下的R1(i)、G1(i)近似为一条直线。将各曝光时间t下的R1(i)取平均值得到R2(i)。之后将各曝光时间t下的R1(i)与R2(i)做计算，将满足
数据点再取平均得到R3(i)、G3(i)。至此完成该温度点标定图像处理工作；对应1200℃时R3(i)＝35434.37、G3(i)＝15402.68。依照上述处理方法处理其它标定温度点的图像数据可得R3(i)、G3(i)。
表1给出了温度为1200℃时，各曝光时间t下的R通道数据值处理结果。
表1
3、辐射强度计算步骤：将成像系统的R、G两通道相对光谱响应效率曲线(如图5，一般由摄像机厂家提供，也可通过光谱响应特性标定实验获取)用Origin绘图软件的非线性曲线拟合功能分别拟合为函数ηr,λ，ηg,λ，得到设备的光谱响应函数：
则R通道响应波长上、下限值λ2＝750nm、λ1＝480nm，G通道响应波长上、下限值λ4＝580nm、λ3＝380nm。
根据下式，计算出各标定温度下的黑体辐射强度Er(i)和Eg(i):
其中
Iλ为单色辐射强度，W/sr/m3，由普朗克辐射定律可得。T为绝对温度，K；λ为波长，m；C1，C2为普朗克常数，其值分别为3.742×10-16W·m2和1.4388×10-2m·K；ε(λ)为人工黑体的单色辐射率，几乎与波长无关，且近似等于1；
为提高标定精度，缩小拟合数据中自变量和因变量的数量级差异，分别对步骤3得到的R3(i)、G3(i)取常用对数，对步骤4求得的Er(i)、Eg(i)取自然对数。
4、拟合标定公式步骤：将各标定温度点得到的R3(i)、G3(i)、Er(i)、Eg(i)统一用R3、G3、Er、Eg表示，则表2为各标定温度下R3、G3及对应的辐射强度Er、Eg。
表2
为了提高标定公式的精度，在整个标定温度范围内分别以R3、G3为自变量，以对应的Er、Eg为因变量，用Origin绘图软件的多项式拟合功能进行分段二阶拟合，每140℃拟合一组标定公式，至此完成整个标定过程。表3为拟合的标定公式，共5组，拟合公式的校正决定系数(Adj.R-Square)均大于0.99884、残差平方和(Residual Sum of Squares)均小于1.71164E-4，拟合精确度优良，利用传统标定方法计算温度，误差为百分之五，本方法的误差在百分之一以内，精度大大提高；图6为对应公式的拟合图。
表3
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种火焰可见光辐射标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)图像采集步骤：开启黑体炉，从所需标定温度范围的最低值开始标定；在每一标定温度点，在黑体炉温度稳定后，利用影像采集设备，以曝光时间t从小到大的顺序，依次获取各曝光时间t下的黑体炉靶面图像，直到所述靶面图像R值饱和，得到该温度点各曝光时间t下的标定图像，完成该温度点的图像采集；所述R值为R通道颜色值；所述影像采集设备的日夜转换模式设置为白天，光圈和白平衡固定，并关闭自动增益功能，所述影像采集设备曝光时间t间隔的选取原则，以使在该温度点相邻两个曝光时间t的R值相差10-20为准；
(2)将黑体炉按标定温度间隔，升温至下一个标定温度点，重复步骤(1)，直到完成所有标定温度点图像数据的采集；所述标定温度间隔根据标定精度确定；
(3)图像处理步骤：取第i个标定温度点的图像数据，提取其中的R、G、B通道颜色值R(i)、G(i)、B(i)；滤除该温度点系统误差后，将各R(i)、G(i)、B(i)除以其对应曝光时间t，得到的R0(i)、G0(i)、B0(i)，将R0(i)、G0(i)、B0(i)分别取算术平均，剔除大误差数据点后，再取算术平均，得到R1(i)、G1(i)、B1(i)；如此得到其它所有标定温度点的R1(i)、G1(i)、B1(i)，i＝1..N，N为根据标定精度确定的标定温度点总数；
(4)辐射强度计算步骤：根据下式，计算出各标定温度点的辐射强度Er(i)、Eg(i)、Eb(i)：
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Iλ是绝对黑体的单色辐射强度，由普朗克辐射定律得到；ηr,λ、ηg,λ、ηb,λ分别为根据成像系统的R、G、B通道相对光谱响应效率曲线拟合出的光谱响应函数，λ2、λ1分别为R通道响应波长上、下限值，λ4、λ3分别为G通道响应波长上、下限值，λ6、λ5分别为B通道响应波长上、下限值；
(5)数据拟合步骤：将步骤(3)求出的各温度下的R1(i)、G1(i)、B1(i)和根据步骤(4)求出的对应温度下的辐射强度Er(i)、Eg(i)、Eb(i)进行拟合，得到火焰可见光辐射的标定公式。
2.根据权利要求1所述的火焰可见光辐射标定方法，其特征在于，所述步骤(5)中，拟合是指多项式拟合，拟合阶数根据精度要求确定。
3.根据权利要求1所述的火焰可见光辐射标定方法，其特征在于，所述的影像采集设备为数码摄像机或数码照相机。
4.根据权利要求1所述的火焰可见光辐射标定方法，其特征在于，步骤(2)中的标定温度间隔为10-50℃。
5.根据权利要求1所述的火焰可见光辐射标定方法，其特征在于，所述步骤(5)中，在标定温度范围内，选择100-200℃的温度间隔进行分段拟合。
6.根据权利要求1所述的火焰可见光辐射标定方法，其特征在于，所述步骤(3)中，将R0(i)、G0(i)、B0(i)与平均值比较，偏差超过3％的R0(i)或G0(i)或B0(i)即为大误差数据点。
7.根据权利要求1所述的火焰可见光辐射标定方法，其特征在于，步骤(3)中，所求各标定温度点的R1(i)、G1(i)、B1(i)取常用对数处理；步骤(4)所求各标定温度点的辐射强度Er(i)、Eg(i)、Eb(i)取自然对数处理；所述常用对数为十进对数即以10为底的对数，记作lg；所述自然对数为以常数e为底的对数，记作ln。
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