CN106124061A - 在线式红外热像仪及红外热图数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于红外检测技术领域，本发明提供了一种在线式红外热像仪及红外热图数据处理方法，该在线式红外热像仪包括依次连接的镜头、探测器、处理器和客户端，探测器的CMOS接口与处理器的CCD视频接口连接。镜头用于将目标物体的红外辐射聚集到探测器。探测器用于采集红外辐射，并转换为RAW格式的红外图像数据。处理器用于接收红外图像数据，编码成预定格式的视频数据，以及将预定格式的视频数据封装为预定协议标准的红外图像数据包。客户端用于根据灰度图像的灰度值，确定目标物体的温度，以及将灰度图像转换为伪彩色的红外热图。本发明在线式红外热像仪，无需采用现场可编程门阵列进行电平转换，降低设备开发难度，提高设备稳定性，简化电路结构。

Description

在线式红外热像仪及红外热图数据处理方法

技术领域

本发明涉及红外检测技术领域，具体涉及一种在线式红外热像仪及红外热图数据处理方法。

背景技术

目前，红外热像仪内部多采用现场可编程门阵列进行电平转换和信号格式转换，导致电路结构复杂，设备故障率高，开发难度大，研发工作的连续性也难以保障。甚至，在没有ARM/DSP技术积累的情况下，人们采用诸如PC104的工控板进行数字信号处理，功耗大，设备发热量也大，影响设备的稳定性和寿命。尤其对于火灾现场等恶劣环境的温度测试，要求设备响应速度快，数据准确，而现有的红外热像仪通常以温度传感器和单片机为主，难以达到相应的要求。

并且，在粮食测温方面，温度传感器是按照一定的分布密度放置在粮仓中，不可避免地存在温度盲点或漏点。温泉、水井等液体测量温度时多采用温度计，按一定时间间隔采样，该方式会存在实时性差的问题。此外，红外热像仪多依赖于外国进口，设备价格高。且国内具备研发、生产实力的厂商并不多。

如何降低现场可编程门阵列导致的设备开发难度，提高设备稳定性，简化电路结构，避免信号衰减，提高信号质量，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种在线式红外热像仪及红外热图数据处理方法，能够降低现场可编程门阵列导致的设备开发难度，提高设备稳定性，简化电路结构，易于产品化。

第一方面，本发明提供一种在线式红外热像仪，该在线式红外热像仪包括依次连接的镜头、探测器、处理器和客户端，探测器的CMOS接口与处理器的CCD视频接口连接。镜头用于将目标物体的红外辐射聚集到探测器。探测器用于采集红外辐射，并转换为RAW格式的红外图像数据，并发送至处理器。处理器用于接收红外图像数据，对红外图像数据依次进行中值滤波、非均匀性校正和压缩，编码成预定格式的视频数据，以及将预定格式的视频数据封装为预定协议标准的红外图像数据包，并将红外图像数据包发送至客户端。客户端用于接收预定协议标准的红外图像数据包，并进行解码，获得灰度图像，并根据灰度图像的灰度值，确定目标物体的温度，以及将灰度图像转换为伪彩色的红外热图，进行显示。

进一步地，本实施例在线式红外热像仪还包括转动云台，镜头位于转动云台，转动云台还用于根据接收处理器的控制参数进行转动。

进一步地，本实施例在线式红外热像仪还包括双倍数据率同步动态随机存取存储器，双倍数据率同步动态随机存取存储器与处理器连接，用于存储处理器的运行程序和/或缓存数据。

进一步地，双倍数据率同步动态随机存取存储器为两个，双倍数据率同步动态随机存取存储器的型号为H5PS1G63EFR。

基于上述任意在线式红外热像仪实施例，进一步地，本实施例在线式红外热像仪还包括非易失性存储器，非易失性存储器与处理器连接，用于存储处理器的系统文件和/或应用程序。

进一步地，本实施例在线式红外热像仪还包括以太网收发器，以太网收发器与处理器的网络通信接口连接。

进一步地，探测器为TauII系列的机芯，处理器的型号为TMS320DM6446。

第二方面，本发明提供一种红外热图数据处理方法，该方法包括：

聚集目标物体的红外辐射，并将红外辐射转换为RAW格式的红外图像数据；

对红外图像数据进行中值滤波和非均匀性校正；

将中值滤波和非均匀性校正处理后的红外图像数据进行压缩，形成符合预定格式的视频数据；

按照预定的协议对视频数据进行编码，形成符合协议标准的红外图像数据包；

对符合协议标准的红外图像数据包进行解码，获得灰度图像；

根据灰度图像的灰度值，确定目标物体的温度；

根据灰度图像的灰度值，将灰度图像转换为伪彩色的红外热图，进行显示。

进一步地，根据灰度图像的灰度值，确定目标物体的温度，具体包括：

根据灰度图像的灰度值，通过如下拟合方程，确定目标物体的温度，

T＝-104.7+0.04506H-4.527e^-6H²+2.809e^-10H³-6.908e^-15H⁴，

其中，H为灰度图像的灰度值，T为目标物体的温度。

进一步地，对符合协议标准的红外图像数据包进行解码，获得灰度图像，具体包括：

对符合协议标准的红外图像数据包进行解码，获得检测图像；

通过如下线性映射变换函数，将检测图像的灰度映射为灰度图像，

$G_n=\left\{\begin{array}{cc}0;& G_0\≤G_b\\ 255;& G_0\≥256/R\\ int\[(G_0-G_b)*R\];& others\end{array}\right.$

其中，G₀为检测图像的原始灰度，G_n为灰度图像的灰度，G_b和R为预设的固定值。

由上述技术方案可知，本发明在线式红外热像仪及红外热图数据处理方法，采用探测器将镜头聚集的红外辐射转换为RAW格式的红外图像数据，探测器的CMOS接口与处理器的CCD视频接口直接连接，CCD视频接口能够接收CMOS接口的视频数据，无需采用FPGA进行电平转换和信号格式转换，也无需视频解码芯片，提高了信号质量，降低后续开发难度，简化电路结构，降低设备成本，易于产品化。

并且，采用处理器将红外图像数据进行滤波和校正等图像预处理，并将处理后的红外图像数据，进行压缩，编码成符合预定格式的视频数据，并按照预定的协议标准中规定的格式，将视频数据封装为合适的红外图像数据包，进行传输，能够减少带宽。采用该红外图像数据包进行传输，能够提高数据传输的可靠性。客户端根据接收的红外图像数据包进行解码之后，即可根据灰度图像，确定目标物体的温度，以及显示该目标图像对应的伪彩色红外热图。

此外，采用本发明在线式红外热像仪，无需与待测物体接触，温度响应速度快，能够应用于各种恶劣环境，且温度响应速度快，漂移小，实时性强。

因此，本发明在线式红外热像仪及红外热图数据处理方法，无需采用FPGA进行电平转换和信号格式转换，前端无需A/D采样或其它视频编码芯片，降低设备开发难度和成本，避免了信号衰减，提高了信号质量，提高设备稳定性，简化电路结构，可以推广量产，摆脱对进口的依赖。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1示出了本发明所提供的一种在线式红外热像仪的结构示意图；

图2示出了本发明所提供的一种双倍数据率同步动态随机存取存储器与处理器的连接管脚示意图；

图3示出了本发明所提供的一种非易失性存储器与处理器的连接管脚示意图；

图4示出了本发明所提供的一种处理器与以太网收发器的连接管脚示意图；

图5示出了本发明所提供的一种红外热图数据处理方法流程图；

图6示出了本发明所提供的一种灰度值与温度的关系图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

第一方面，本发明提供一种在线式红外热像仪，结合图1，该在线式红外热像仪包括依次连接的镜头1、探测器2、处理器3和客户端4，探测器2的CMOS接口与处理器3的CCD视频接口连接。镜头1用于将目标物体的红外辐射聚集到探测器2。探测器2用于采集红外辐射，并转换为RAW格式的红外图像数据，并发送至处理器3。处理器3用于接收红外图像数据，对红外图像数据依次进行中值滤波、非均匀性校正和压缩，编码成符合预定格式的视频数据，以及将预定格式的视频数据封装为预定协议标准的红外图像数据包，并将红外图像数据包发送至客户端4。客户端4用于接收预定协议标准的红外图像数据包，并进行解码，获得灰度图像，并根据灰度图像的灰度值，确定目标物体的温度，以及将灰度图像转换为伪彩色的红外热图，进行显示。

其中，探测器2具体采用TauII系列的机芯，该机芯能够提供640×480像素的红外图像数据，TauII机芯的CMOS接口为并行十四位接口。处理器3为双核视频处理器，具体型号为TMS320DM6446。

本实施例在线式红外热像仪，采用探测器2将镜头1聚集的红外辐射转换为RAW格式的红外图像数据，探测器2的CMOS接口与处理器3的CCD视频接口直接连接，CCD视频接口能够接收CMOS接口的视频数据，无需采用FPGA进行电平转换和信号格式转换，也无需其它A/D采样或其它视频编码芯片，降低后续开发难度，避免了信号衰减，提高了信号质量，简化电路结构，降低设备成本，易于产品化。

并且，采用处理器3将红外图像数据进行滤波和校正处理，并将处理后的红外图像数据，进行压缩，形成H.264压缩视频数据，并按照RFC3984标准中规定的格式，将H.264压缩视频数据封装为合适的RTP/RTSP红外图像数据包，进行传输，能够减少带宽。采用该RTP/RTSP红外图像数据包进行传输，能够提高数据传输的可靠性。客户端4根据接收的RTP/RTSP红外图像数据包进行解码之后，即可根据灰度图像，确定目标物体的温度，以及显示该目标图像对应的伪彩色红外热图。

此外，采用本实施例在线式红外热像仪，无需与待测物体接触，温度响应速度快，能够应用于各种恶劣环境，且温度响应速度快，漂移小，实时性强。目前，红外热像仪的精度最多只有十四位，本实施例在线式红外热像仪具有十六位精度的处理能力，有利于长时间保持其先进性。

因此，本实施例在线式红外热像仪，无需采用FPGA进行电平转换和信号格式转换，前端无需A/D采样或其它视频编码芯片，避免了信号衰减，提高了信号质量，降低设备开发难度和成本，提高设备稳定性，简化电路结构，可以推广量产，摆脱对进口的依赖。

为了进一步提高本实施例在线式红外热像仪的可靠性，方便用户使用，具体地，在视场角控制方面，本实施例在线式红外热像仪还包括转动云台，镜头1位于转动云台，转动云台还用于根据接收处理器3的控制参数进行转动。处理器3还能够进行镜头1调焦，以覆盖360°视场。

具体地，在数据存储方面，本实施例在线式红外热像仪还包括双倍数据率同步动态随机存取存储器，双倍数据率同步动态随机存取存储器与处理器3连接，双倍数据率同步动态随机存取存储器用于存储处理器3的运行程序和/或缓存数据，且双倍数据率同步动态随机存取存储器为两个，每个像素点占两个字节，高字节的高两位可置为零。双倍数据率同步动态随机存取存储器的型号为H5PS1G63EFR。由于在整个图象处理过程中，处理器3需要缓存大量的图像数据，而TMS320DM6446芯片内部只集成了256KB的SRAM，无法满足需求，TMS320DM6446采用两片DDR2SDRAM来扩展存储空间，保证了在处理器3实时运行器件的图像缓存功能。两片H5PS1G63EFR能够拼接成32位宽后接入数据总线，结合图2，图2示出了一种双倍数据率同步动态随机存取存储器与处理器3连接管脚示意图。

本实施例在线式红外热像仪还包括非易失性存储器，非易失性存储器与处理器3连接，用于存储处理器3的系统文件和/或应用程序。当处理器3的BTSEL[1:0]＝11时，可以从异步收发传输器烧写UBL文件，再设置处理器3的BTSEL[1:0]＝00后，处理器3即可从NANDFLASH读取UBL文件，并运行。而后，用户还可以通过以太网烧写UBOOT数据、内核数据及文件数据，完成文件的烧写后，处理器3可以直接从NAND FLASH读取文件，加载运行并启动。本实施例在线式红外热像仪无需NOR FLASH、仿真器或烧写器，进一步简化电路结构。本实施例在线式红外热像仪采用128M×8b的K9F1G08，TMS320DM6446通过EM_CS[n],EM_OE，EM_WE分别控制NAND FLASH的片选信号、读使能和写使能，K9F1G08与TMS320DM6446的具体连接方式如图3所示。

具体地，在网络传输方面，本实施例在线式红外热像仪还包括以太网收发器，以太网收发器与处理器3的网络通信接口连接。该以太网收发器采用的芯片型号为KSZ8041NL、DM9000或CS8900。TMS320DM6446的网络通信接口包括EMAC控制模块、EMAC模块与MDIO模块。KSZ8041NL作为10/100Base-TX以太网收发器，与DM6446连接如图4所示。

第二方面，本发明提供一种利用了上述在线式红外热像仪的红外热图数据处理方法，结合图5，该方法具体步骤包括：

步骤S1，聚集目标物体的红外辐射，并将红外辐射转换为RAW格式的红外图像数据；

步骤S2，对红外图像数据进行中值滤波和非均匀性校正；

步骤S3，将中值滤波和非均匀性校正处理后的红外图像数据进行编码，形成符合预定格式的视频数据，在此为H.264压缩视频数据；

步骤S4，按照预定的协议对视频数据进行封装，形成符合协议标准的红外图像数据包，在此为RTP/RTSP红外图像数据包，并且，流媒体控制协议还能够实时传输控制数据，如播放、暂停、快进、快退等操作；

步骤S5，对符合协议标准的红外图像数据包进行解码，获得灰度图像；

步骤S6，根据灰度图像的灰度值，确定目标物体的温度；

步骤S7，根据灰度图像的灰度值，将灰度图像转换为伪彩色的红外热图，进行显示，该方法能够提供十二种伪彩显示模式。

本实施例红外热图数据处理方法，将红外辐射转换为RAW格式的红外图像数据，方便数据在各个设备的接口之间传输，有利于设备电路的简化。该方法将滤波、校正处理后的红外图像数据进行压缩，编码成H.264压缩视频数据，有利于降低数据传输的带宽。同时，将压缩后的视频数据按照RFC3984标准，封装为RTP/RTSP红外图像数据包进行传输，能够提高数据传输的可靠性。将RTP/RTSP红外图像数据包进行解码之后，即可根据灰度图像，确定目标物体的温度，以及显示该目标图像对应的伪彩色红外热图。伪彩色的红外热图能够增强人员的敏感程度，加强图像边界的可识别程度和显示效果。

因此，本实施例红外热图数据处理方法，无需进行电平转换和信号格式转换，避免了信号衰减，提高了信号质量，有利于降低设备开发难度和成本，且保证数据有效传输，实时准确有效地获得目标物体的红外热图和温度。

本实施例红外热图数据处理方法还设有缓存机制，该机制采用两个缓冲帧，一个缓冲帧用来获取红外图像数据，一个缓冲帧用来向服务器发组帧后视频流,两种缓冲帧是分开的，各自均采用三乒乓机制，提高数据吞吐量。

为了进一步提高本实施例红外热图数据处理方法的准确性，具体地，在温度获取方面，本实施例红外热图数据处理方法，根据灰度图像的灰度值，通过如下拟合方程，确定目标物体的温度，

T＝-104.7+0.04506H-4.527e^-6H²+2.809e^-10H³-6.908e^-15H⁴，

其中，H为灰度图像的灰度值，T为目标物体的温度。如对黑体进行标定实验，用标准黑体，把三次灰度值进行平均取均值，并测得相应的黑体温度值，具体数据如下表所示，具体关系图如6所示：

灰度值	5104	6384	7868	9560	11381	13466
							黑体温度(℃)	40	60	80	100	120	140

采用红外标定工具Prism5.0进行分析，即可得到上述拟合方程。结合上述表格和图6可知，灰度值对温度值的响应在小范围内近似线性，响应曲线良好。

为了进一步提高红外热图的显示效果，红外图像数据包为十六位，而普通显示器解析精度只有八位，在对符合协议标准的红外图像数据包进行解码，获得灰度图像时，具体采用如下步骤：

对符合协议标准的红外图像数据包进行解码，获得检测图像；

通过如下线性映射变换函数，将检测图像的灰度映射为灰度图像，

$G_n=\left\{\begin{array}{cc}0;& G_0\≤G_b\\ 255;& G_0\≥256/R\\ int\[(G_0-G_b)*R\];& others\end{array}\right.$

其中，G₀为检测图像的原始灰度，G_n为灰度图像的灰度，G_b和R为预设的固定值，在实际应用时，R可以根据仪器特点设置，如R＝256/N,N＝2¹⁴。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种在线式红外热像仪，其特征在于，包括：

依次连接的镜头、探测器、处理器和客户端，

所述探测器的CMOS接口与所述处理器的CCD视频接口连接，

所述镜头用于将目标物体的红外辐射聚集到所述探测器，

所述探测器用于采集所述红外辐射，并转换为RAW格式的红外图像数据，并发送至所述处理器，

所述处理器用于接收所述红外图像数据，对所述红外图像数据依次进行中值滤波、非均匀性校正和压缩，编码成预定格式的视频数据，以及将所述预定格式的视频数据封装为预定协议标准的红外图像数据包，并将所述红外图像数据包发送至客户端，

所述客户端用于接收所述预定协议标准的红外图像数据包，并进行解码，获得灰度图像，并根据所述灰度图像的灰度值，确定所述目标物体的温度，以及将所述灰度图像转换为伪彩色的红外热图，进行显示。

2.根据权利要求1所述在线式红外热像仪，其特征在于，该在线式红外热像仪还包括转动云台，所述镜头位于所述转动云台，所述转动云台还用于根据接收所述处理器的控制参数进行转动。

3.根据权利要求2所述在线式红外热像仪，其特征在于，该在线式红外热像仪还包括双倍数据率同步动态随机存取存储器，所述双倍数据率同步动态随机存取存储器与所述处理器连接，用于存储所述处理器的运行程序和/或缓存数据。

4.根据权利要求3所述在线式红外热像仪，其特征在于，

所述双倍数据率同步动态随机存取存储器为两个，所述双倍数据率同步动态随机存取存储器的型号为H5PS1G63EFR。

5.根据权利要求1～4任意一项所述在线式红外热像仪，其特征在于，该在线式红外热像仪还包括非易失性存储器，所述非易失性存储器与所述处理器连接，用于存储所述处理器的系统文件和/或应用程序。

6.根据权利要求1所述在线式红外热像仪，其特征在于，该在线式红外热像仪还包括以太网收发器，所述以太网收发器与所述处理器的网络通信接口连接。

7.根据权利要求1所述在线式红外热像仪，其特征在于，

所述探测器为TauII系列的机芯，

所述处理器的型号为TMS320DM6446。

8.一种利用了权利要求1所述在线式红外热像仪的红外热图数据处理方法，其特征在于，包括：

聚集目标物体的红外辐射，并将所述红外辐射转换为RAW格式的红外图像数据；

对所述红外图像数据进行中值滤波和非均匀性校正；

将中值滤波和非均匀性校正处理后的红外图像数据进行压缩，形成符合预定格式的视频数据；

按照预定的协议对所述视频数据进行编码，形成符合协议标准的红外图像数据包；

对所述符合协议标准的红外图像数据包进行解码，获得灰度图像；

根据所述灰度图像的灰度值，确定所述目标物体的温度；

根据所述灰度图像的灰度值，将所述灰度图像转换为伪彩色的红外热图，进行显示。

9.根据权利要求8所述红外热图数据处理方法，其特征在于，

所述根据灰度图像的灰度值，确定目标物体的温度，具体包括：

根据所述灰度图像的灰度值，通过如下拟合方程，确定所述目标物体的温度，

T＝-104.7+0.04506H-4.527e^-6H²+2.809e^-10H³-6.908e^-15H⁴，

其中，H为所述灰度图像的灰度值，T为所述目标物体的温度。

10.根据权利要求8所述红外热图数据处理方法，其特征在于，

所述对符合协议标准的红外图像数据包进行解码，获得灰度图像，具体包括：

对符合协议标准的红外图像数据包进行解码，获得检测图像；

通过如下线性映射变换函数，将所述检测图像的灰度映射为所述灰度图像，

$G_n=\left\{\begin{array}{cc}0;& G_0\≤G_b\\ 255;& G_0\≥256/R\\ \mathrm{int}\[(G_0-G_b)*R\];& others\end{array}\right.$

其中，G₀为所述检测图像的原始灰度，G_n为所述灰度图像的灰度，G_b和R为预设的固定值。