CN106017694A - 一种基于图像传感器的温度测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于图像传感器的温度测量系统，其特征在于:包括成像系统、图像传感系统和图像处理系统；所述成像系统包括滤波片和镜头，镜头包括镜片和光圈，用于将被测物体的热辐射信号聚集在CCD感光面上，同时控制通过的光通量；所述图像传感系统包括彩色CCD摄像机和USB延长器，彩色CCD摄像机用于进行光电转换，输出带有温度信息的RGB信号，USB延长用于实现远程控制和数据的远程高速传输；所述图像处理系统，用于温度计算、温度场显示和分析处理数据。本发明的三基色测温法减少了热辐射体的灰度变化和CCD响应波长带宽非理想性等因素引起的测温误差，图像分割法能快速准确地分割出目标图像。
Description
技术领域
本发明涉及温度测量领域，尤其是一种基于图像传感器的非接触的温度测量系统。
背景技术
非接触温度测量方法是利用物体的辐射强度与温度的函数关系来实现温度的测量，具有非接触、不破坏测温场、可测量高温目标、测量响应速率快和能对运动物体进行测温的优点。
但物体的辐射率受光学系统、现场环境、表面特征和材料特性的影响，同时还受被测温度的高低、CCD光谱响应、积分时间和光圈大小的影响，所测的结果有很大的误差。对测温图像进行处理，这就要求对图像目标进行快速有效的识别，以便对图像进行准确测温，在对图像进行快速分割方面，一般的方法都是对现有的传统算法进行改进，分割速度虽然有所提高，但效果不是很明显。
现在所常用的测温法有单色测温法和比色测温法，但是单色测温法需要选择很窄的波段，以排除其他波长光波的干扰辐射，可是带宽过窄，会使探测器接收的能量变得很小，无法产生足够的响应，会带来很大的误差；用比色法测温，只有当实际物体是黑体或灰体时，测出的温度才是实际物体的温度，比色法测温忽略了实际物体的光谱发射率变化对测温结果的影响，光谱发射率与材料、温度和波长等因素有关，无法准确知道，所以还是有较大的误差。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种三基色测温法，利用彩色CCD摄像机输出的三个等效波长，即R、G、B三个通道的信息，经过数据处理，得到物体的温度，能够提高测温系统的精度，操作简单，计算快速；同时在图像处理中，采用了图像快速分割的方法，快速准确地分割出目标图像，提高图像处理的效率，从而提高测温水平。
本发明采用的技术方案如下：
本发明一种基于图像传感器的温度测量系统，包括成像系统、图像传感系统和图像处理系统；所述成像系统包括滤波片和镜头，镜头包括镜片和光圈，用于将被测物体的热辐射信号聚集在CCD感光面上，同时控制通过的光通量；所述图像传感系统包括彩色CCD摄像机和USB延长器，彩色CCD摄像机用于进行光电转换，输出带有温度信息的RGB信号，USB延长器用于实现远程控制和数据的远程高速传输；所述图像处理系统，用于温度计算、温度场显示和分析处理数据。
本发明的基于图像传感器的温度测量系统，所述彩色CCD摄像机安装于支架上，同时支架上设置有减震装置。
以上结构中的彩色CCD摄像机由镜头、传感器、彩色分离电路、三基色信号的处理电路和彩色编码器组成；透过镜头的物体信号经过滤色器后在CCD芯片上成像，从形成的光学信号中取出含有彩色信号的图像信号，再和延时线取出的图像信号一起送入彩色分离信号，分离出的三基色信号通过低通滤波器，再经放大进入彩色编码器，输出复合视频图像信号。支架上的减震装置可以减小由于CCD的振动和晃动而产生的误差。
本发明的基于图像传感器的温度测量系统，所述滤波片采用的是中性滤光片，用于减弱目标光强，提高CCD摄像机的感光范围，避免其达到饱和；所述滤波片包括2％、11％和26％的中性滤光。
以上结构，在摄像机前设置中性滤光片，用于减弱目标光强，可以使非饱和区宽度增大，从而扩大摄像机的动态范围。
本发明的基于图像传感器的温度测量系统，所述图像传感系统还包括光圈自动控制系统：所述光圈自动控制系统包括依次连接的放大器、箝位器、积分器、比较器和驱动马达，以及与比较器连接的参考电平；所述放大器和CCD连接；所述驱动马达连接光圈。
以上结构，光圈自动控制系统的工作原理为：入射光经过光学镜片、可变光圈聚焦在CCD的光敏面上，CCD将光信号转换成电信号，并经过信号处理，输出视频信号；另一路CCD输出信号经放大、箝位，送入积分器，积分后的结果与参考电平进行比较，当积分信号低于或高于标准电平时，驱动马达旋转，带动光圈向增大或减小通光孔径方向改变，从而达到调节光敏面照度的目的，从而扩大摄像机的测温范围。
本发明的基于图像传感器的温度测量系统，所述图像处理系统的处理方法为：根据测温系统的标定结果，选择测温模式；对图像进行预处理，同时进行目标识别，将识别的目标图像代入测温公式进行分析计算，式中r是红色像素值，g是绿色像素值，b是蓝色像素值，K是标定值，C2＝1.4388×104um·K，λr＝700nm，λg＝546.1nm，λb＝435.8nm，得到温度场各点的色温，将温度值以伪彩色图形式显示。
以上图像处理系统的处理方法中采用了三基色测温法，减少了热辐射体的灰度变化和CCD响应波长带宽非理想性等因素引起的测温误差，提高了测温精度。
本发明的基于图像传感器的温度测量系统，所述目标识别包括图像分割和图像去噪；所述图像分割的方法为：将图像所有像素的红色分量值作直方图统计，记为g(i)，g(i)是灰度级为i的像素点的个数；利用Daubechies小波得出低通滤波器系数Lo-D,对g(i)进行小波分解得用最大类间方差法计算中最佳分割阀值t,原图像的阀值为T＝t*2r；根据阀值T对图像进行分割。
以上图像分割的方法，通过对图像直方图统计量进行小波分解得到图像的低频分量，同时使图像灰度级明显降低，从而大大缩小分割阀值的搜索范围，再利用简化的最大类间方差法求取分割阀值，可以准确地计算出最佳分割阀值，加快运算速度；图像快速分割可以对目标进行准确和快速的识别，大大提高图像处理的速度和测温系统的实时性。
本发明的基于图像传感器的温度测量系统，所述图像去噪的方法：将分割图像进行二值化；先闭操作，弥补狭窄的间断，消除小的孔洞，并填补轮廓线中的断裂；后开操作，使对象的轮廓变得光滑，消除细的突出物。
以上方法，将分割图像进行二值化；先闭操作，后开操作，可以除去比结构元素小的特定图像细节，同时不产生全局几何失真，不改变原图像各像素的颜色值。
本发明的基于图像传感器的温度测量系统，所述图像处理系统还包括结果校正的方法：提取相邻点的温度差T,当点的温度大于50％*T去，除温度场中的奇异点，即与相邻点之间温差很大的点。
以上方法中由于温度场是连续的，温度场中出现的与相邻点温差较大的点是错误的点，去除后可以使计算结果更精确。
本发明的基于图像传感器的温度测量系统，所述测温系统的标定方法为：将测温物体的温度调到温度T1，固定光圈，调节快门，使摄像机能够成清晰的像；通过输出图像判断图像的饱和，若图像饱和，调节快门，重新成像，继续判断，若没有出现饱和，通过输出的图像获取图像某一点对应的R、G、B的值以及该点的坐标值，保存图像；将物体温度调节到温度T2，重复上述步骤；当光圈调到很小，快门调到很小，拍摄的图像依然饱和时，停止操作；对测得的灰度值和对应温度进行最小二乘法拟合，绘制拟合曲线，将R、G、B的值代入测温公式，就得到对应的K值。
以上测温系统的标定，可以校正CCD的噪声、镜头透光率不均匀等因素产生的误差。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、三基色测温法的使用，减少了热辐射体的灰度变化和CCD响应波长带宽非理想性等因素引起的测温误差，提高了测温精度。
2、图像快速分割的方法，通过对图像直方图统计量进行小波分解得到图像的低频分量，同时使图像灰度级明显降低，从而大大缩小分割阀值的搜索范围，再利用简化的最大类间方差法求取分割阀值，可以准确地计算出最佳分割阀值，加快运算速度；图像快速分割可以对目标进行准确和快速的识别，大大提高图像处理的速度和测温系统的实时性。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明一种基于图像传感器的温度测量系统的结构示意图。
图2是光圈自动控制系统的结构示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1，本发明一种基于图像传感器的温度测量系统，包括成像系统、图像传感系统和图像处理系统；所述成像系统包括滤波片和镜头，镜头包括镜片和光圈，用于将被测物体的热辐射信号聚集在CCD感光面上，同时控制通过的光通量；所述图像传感系统包括彩色CCD摄像机和USB延长器，彩色CCD摄像机用于进行光电转换，输出带有温度信息的RGB信号，USB延长器用于实现远程控制和数据的远程高速传输；所述图像处理系统，用于温度计算、温度场显示和分析处理数据。
本发明的基于图像传感器的温度测量系统，所述彩色CCD摄像机安装于支架上，同时支架上设置有减震装置。
本发明的基于图像传感器的温度测量系统，所述滤波片采用的是中性滤光片，用于减弱目标光强，提高CCD摄像机的感光范围，避免其达到饱和；所述滤波片包括2％、11％和26％的中性滤光。
如图2，本发明的基于图像传感器的温度测量系统，所述图像传感系统还包括光圈自动控制系统：所述光圈自动控制系统包括依次连接的放大器、箝位器、积分器、比较器和驱动马达，以及与比较器连接的参考电平；所述放大器和CCD连接；所述驱动马达连接光圈。
本发明的基于图像传感器的温度测量系统，所述图像处理系统的处理方法为：根据测温系统的标定结果，选择测温模式；对图像进行预处理，同时进行目标识别，将识别的目标图像代入测温公式进行分析计算，式中r是红色像素值，g是绿色像素值，b是蓝色像素值，K是标定值，λr＝700nm、λg＝546.1nm、λb＝435.8nm，得到温度场各点的色温，将温度值以伪彩色图形式显示。
本发明的基于图像传感器的温度测量系统，所述目标识别包括图像分割和图像去噪；所述图像分割的方法为：将图像所有像素的红色分量值作直方图统计，记为g(i)，g(i)是灰度级为i的像素点的个数；利用Daubechies小波得出低通滤波器系数Lo-D,对g(i)进行小波分解得用最大类间方差法计算中最佳分割阀值t,原图像的阀值为T＝t*2r；根据阀值T对图像进行分割。
本发明的基于图像传感器的温度测量系统，所述图像去噪的方法：将分割图像进行二值化；先闭操作，弥补狭窄的间断，消除小的孔洞，并填补轮廓线中的断裂；后开操作，使对象的轮廓变得光滑，消除细的突出物。
本发明的基于图像传感器的温度测量系统，所述图像处理系统还包括结果校正的方法：提取相邻点的温度差T,当点的温度大于50％*T去，除温度场中的奇异点，即与相邻点之间温差很大的点。
本发明的基于图像传感器的温度测量系统，所述测温系统的标定方法为：将测温物体的温度调到温度T1，固定光圈，调节快门，使摄像机能够成清晰的像；通过输出图像判断图像的饱和，若图像饱和，调节快门，重新成像，继续判断，若没有出现饱和，通过输出的图像获取图像某一点对应的R、G、B的值以及该点的坐标值，保存图像；将物体温度调节到温度T2，重复上述步骤；当光圈调到很小，快门调到很小，拍摄的图像依然饱和时，停止操作；对测得的灰度值和对应温度进行最小二乘法拟合，绘制拟合曲线，将R、G、B的值代入测温公式，就得到对应的K值。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (9)
1.一种基于图像传感器的温度测量系统，其特征在于:包括成像系统、图像传感系统和图像处理系统；所述成像系统包括滤波片和镜头，镜头包括镜片和光圈，用于将被测物体的热辐射信号聚集在CCD感光面上，同时控制通过的光通量；所述图像传感系统包括彩色CCD摄像机和USB延长器，彩色CCD摄像机用于进行光电转换，输出带有温度信息的RGB信号，USB延长器用于实现远程控制和数据的远程高速传输；所述图像处理系统，用于温度计算、温度场显示和分析处理数据。
2.根据权利要求1所述的基于图像传感器的温度测量系统，其特征在于:所述彩色CCD摄像机安装于支架上，同时支架上设置有减震装置。
3.根据权利要求1所述的基于图像传感器的温度测量系统，其特征在于:所述滤波片采用的是中性滤光片，用于减弱目标光强，提高CCD摄像机的感光范围，避免其达到饱和；所述滤波片包括2％、11％和26％的中性滤光。
4.根据权利要求1所述的基于图像传感器的温度测量系统，其特征在于:所述图像传感系统还包括光圈自动控制系统：所述光圈自动控制系统包括依次连接的放大器、箝位器、积分器、比较器和驱动马达，以及与比较器连接的参考电平；所述放大器和CCD连接；所述驱动马达连接光圈。
5.根据权利要求1所述的基于图像传感器的温度测量系统，其特征在于:所述图像处理系统的处理方法为：根据测温系统的标定结果，选择测温模式；对图像进行预处理，同时进行目标识别，将识别的目标图像代入测温公式进行分析计算，式中r是红色像素值，g是绿色像素值，b是蓝色像素值，K是标定值，λr＝700nm、λg＝546.1nm、λb＝435.8nm，得到温度场各点的色温，将温度值以伪彩色图形式显示。
6.根据权利要求5所述的基于图像传感器的温度测量系统，其特征在于:所述目标识别包括图像分割和图像去噪；所述图像分割的方法为：将图像所有像素的红色分量值作直方图统计，记为g(i)，g(i)是灰度级为i的像素点的个数；利用Daubechies小波得出低通滤波器系数Lo-D,对g(i)进行小波分解得用最大类间方差法计算中最佳分割阀值t,原图像的阀值为T＝t*2r；根据阀值T对图像进行分割。
7.根据权利要求6所述的基于图像传感器的温度测量系统，其特征在于:所述图像去噪的方法：将分割图像进行二值化；先闭操作，弥补狭窄的间断，消除小的孔洞，并填补轮廓线中的断裂；后开操作，使对象的轮廓变得光滑，消除细的突出物。
8.根据权利要求5所述的基于图像传感器的温度测量系统，其特征在于:所述图像处理系统还包括结果校正的方法：提取相邻点的温度差T,当点的温度大于50％*T去，除温度场中的奇异点，即与相邻点之间温差很大的点。
9.根据权利要求5所述的基于图像传感器的温度测量系统，其特征在于:所述测温系统的标定方法为：将测温物体的温度调到温度T1，固定光圈，调节快门，使摄像机能够成清晰的像；通过输出图像判断图像的饱和，若图像饱和，调节快门，重新成像，继续判断，若没有出现饱和，通过输出的图像获取图像某一点对应的R、G、B的值以及该点的坐标值，保存图像；将物体温度调节到温度T2，重复上述步骤；当光圈调到很小，快门调到很小，拍摄的图像依然饱和时，停止操作；对测得的灰度值和对应温度进行最小二乘法拟合，绘制拟合曲线，将R、G、B的值代入测温公式，就得到对应的K值。
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