CN111537084A - 一种耳腔成像区域多自由度控制的非接触温度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耳腔成像区域多自由度控制的非接触温度测量方法，该方法包括以下步骤：耳腔及周边区域的热力学及黑体辐射简化模型建立，推导温度反演算法，仿真计算，实验验证，验证通过后模型复杂程度逐渐增加，重复上述模型验证的过程，逐步建立逼近人耳真实情况的过渡模型和复杂模型；结合双目视觉3d重构技术重构耳朵的三维结构并分区；该方法解决的问题是建立复杂环境下耳腔及周边区域的热力学温度的表面分布和辐射通量的空间分布模型，结合有限元分析方法和实验手段，对模型进行理论和实验的双重验证；该方法具有适应复杂环境，测量精度高，非接触式的特点，可以广泛应用于各种复杂环境下的耳温测温场景。
Description
技术领域
本发明设计温度测量技术领域，尤其涉及一种耳腔成像区域多自由度控制的非接触温度测量方法。
背景技术
红外热成像的工作原理是利用红外探测器接受被测目标的红外辐射能量分布，并反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图。这种热像图与物体表面的温度分布相对应。通过红外热像图，可以观察到被测物的整体温度分布状况，研究被测物的发热情况。研究表明，在不同的年龄、不同的室温、不同的体温条件下，口腔温度与耳温的差异均无统计学意义，耳温与口腔温度一致性程度高，红外测量得到的耳温在临床上可准确真实地反映体温情况。
目前安检等方面的人体测温利用的红外热成像技术，主要是使用体温枪、测温门等装置，无法测量人体耳腔的温度。而家用的耳温枪具有接触式、测温精度不高的缺点。为了适应我国医学、检疫发展的需求，有效地进行体温测量，有力地控制和预防诸如甲流、非典等特殊疾病的传播，急需设计一种适应复杂环境，测量精度高，非接触式的耳温测量方法。通过构建耳腔模型，并在该模型的基础之上对成像区域进行多自由度控制进行测量获取多维信息并反演出耳腔内及周边区域温度分区的方法，可以实现高精度、非接触地测量耳温，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供高精度的人体红外测温方法，其基本原理是黑体辐射，不同温度的物体发出的热辐射量不同，利用红外探头收集物体发出的热辐射转换成电信号。为了解决由于被测物周边物体的辐射影响造成被测物温度测不准的问题，提出了一种耳腔简化的模型并在该模型的基础之上对成像区域进行多自由度控制进行测量获取多维信息并反演出耳腔内及周边区域温度分区的方法。在此基础之上模型逐步复杂化，逐步构建符合实际应用场景的复杂模型。该方法不仅可以提高精度，还可以根据模型推演出被测物周边区域的温度分区信息，获取更多信息量。
为了解决上述问题，本发明提出一种耳腔成像区域多自由度控制的非接触温度测量方法，该方法包括以下步骤：耳腔及周边区域的热力学及黑体辐射简化模型建立，推导温度反演算法，仿真计算，实验验证，验证通过后模型复杂程度逐渐增加，重复上述模型验证的过程，逐步建立逼近人耳真实情况的过渡模型和复杂模型。
进一步的改进在于，所述简化模型建立包括将三维的复杂生物学结构简化为二维的圆盘形几何结构，其中耳腔为小圆，耳腔周边区域为大圆，耳腔的温度为T1，耳腔周边温度分区为T2,T3.....Tn。
进一步的改进在于，所述简化模型建立包括对耳腔及其周边区域的辐射场分布情况进行公式推导，此公式用于模型建立，从简化模型到复杂模型以及中间的过渡模型，都有模型对应的理论公式用于数值仿真计算。
进一步的改进在于，对于最终建立的模型，结合双目视觉3d重构技术重构耳朵的三维结构并分区，将此信息带入此模型中作为该模型的建模参数。
进一步的改进在于，所述双目视觉3d重构技术包括对耳腔及其周边区域的几何结构进行重构，从而得到这部分区域的三维坐标，包括曲面形状和切面的辐射角度信息；将这部分人耳几何结构信息代入已建立的模型公式中，用于真实情况下的人耳耳腔测温。
进一步的改进在于，选取多组不同样本在不同实验环境下测温，并与传统的接触式测温方式作对比，验证模型在标准测试环境和复杂环境下的准确性，从而对该模型进行全面的验证、评估，根据实验的结果对模型进行进一步的修改完善，以提高该模型在不同场景的适用性和鲁棒性。
进一步的改进在于，所述推导温度反演算法包括利用探头从多自由度收集耳腔及其周边区域的不同信息，结合耳腔的几何模型和温度分区，该算法实现了从这些不同自由度下收集到的复杂信息中提取出耳朵不同分区的温度信息。
进一步的改进在于，所述推导温度反演算法中实现算法的核心方法为对成像区域进行多自由度的测量，多自由度测量的手段包括探头平移、旋转、倾斜操作，在此过程中，探头从多角度收集耳腔及其周边区域的不同信息。
进一步的改进在于，所述推导温度反演算法的具体过程为：在测量辐射通量的热电堆探头前面放置一个透镜，黑体表面的辐射会通过透镜汇聚到热电堆探头上，热电堆探头将辐射通量转换为电压信号，由透镜的聚焦公式和放大率公式可知热电堆探测器接收到的总辐射通量是在黑体表面成像区域所有辐射微元的积分总和，从理论可推导出辐射通量与多组不同参数组合的理论公式；首先利用标准黑体做探头辐射通量-输出电压的校准，然后将探头中心正对着耳腔模型，利用探头移动、倾斜，调节焦距和前后移动的方法，从多个自由度改变成像区域的成像位置，成像面积，成像角度，在这一过程中收集到足够多的耳腔及周边区域温度信息，这些信息以辐射积分转换为电压的方式被采集下来，对比推导的理论公式和探头采集到的电压信号是否一致，如果一致性良好则说明模型建立正确，验证通过。
进一步的改进在于，所述模型复杂程度逐渐增加是在简化模型的基础上进一步加入符合实际情况的要素，包括耳边区域温度分区、二维平面模型转化为三维立体模型、加入环境温度和环境辐射的要素，完整的建模思路是：首先进行简化模型验证，简化模型验证通过后对耳边区域进行温度分区，之后将二维的平面结构转换为三维的立体结构，最后添加环境温度和环境辐射的要素，每一次模型的进一步复杂都要推导新的公式，然后数值仿真计算，实验验证。
本发明的有益效果为：本发明不仅对被测目标进行信息采集，而且对被测物的周边物体信息采集，因此除了可以获取被测物的温度以外，还可以获取被测物周围的区域的温度。此外，该方法还可以将被测物的温度和周边物体的温度对探头信号的贡献区分开来，从而避免被测物体周边辐射的干扰，提高了测温的准确性。该方法具有适应复杂环境，测量精度高，非接触式的特点，可以广泛应用于各种复杂环境下的耳温测温场景。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明耳腔简化和温度分区模型示意图；
图3为本发明热电堆探头辐射通量-输出电压的校准图；
图4为本发明透镜成像区域和耳腔简化模型的几何关系示意图；
图5为本发明扫描时成像区域辐射通量变化曲面图；
图6为本发明成像系统普遍模型图。
具体实施方式
下面结合附图1-6对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
如图1所示，一种耳腔成像区域多自由度控制的非接触温度测量方法，该方法包括以下步骤：耳腔及周边区域的热力学及黑体辐射简化模型建立，推导温度反演算法，仿真计算，实验验证，验证通过后模型复杂程度逐渐增加，重复上述模型验证的过程，逐步建立逼近人耳真实情况的过渡模型和复杂模型。
下面具体说明本发明的方法流程：在本发明所述的耳腔及周边区域的热力学及黑体辐射简化模型建立中，由于实际的人耳模型是一种生物学模型，人耳表面和内部的热力学温度分布情况及其复杂，直接对一个真实人耳建模是一件极其困难的事情，建立的模型也难以符合实际情况，因此需要在研究初期简化问题，在简单的模型验证通过之后再结合实际情况对模型进行适当的修正，复杂程度逐渐增加，逐步逼近人耳的真实情况。
如图2所示为简化后的人耳模型，该模型将耳腔三维的复杂形状简化成二维平面结构，耳腔内外都简化为一个圆盘的模型，其中耳腔内用黑体代替，耳腔外用接近皮肤的材质，这两种材质都用采用PID控温技术保持平面的温度稳定及均匀分布，两种材质的温度分别保持在T1，T2以模拟耳腔的内外温度环境。
研究多自由度成像多维信息获取及被测目标和周边区域的温度反演算法，在测量辐射通量的热电堆探头前面放置一个透镜，黑体表面的辐射会通过透镜汇聚到热电堆探头上，热电堆探头将辐射通量转换为电压信号，由透镜的聚焦公式和放大率公式可知热电堆探测器接收到的总辐射通量是在黑体表面成像区域所有辐射微元的积分总和，从理论可推导出辐射通量与多组不同参数组合的理论公式；
如图3所示，首先利用标准黑体做探头辐射通量-输出电压的校准，然后将探头中心正对着耳腔模型，利用探头移动、倾斜，调节焦距和前后移动等方法，从多个自由度改变成像区域的成像位置，成像面积，成像角度，如图4所示为本发明透镜成像区域和耳腔简化模型的几何关系示意图，在这一过程中收集到足够多的耳腔周边区域温度信息，这些信息以辐射积分转换为电压的方式被采集下来，对比推导的理论公式和探头采集到的电压信号是否一致，如果一致性良好则说明模型建立正确，验证通过；图5所示为本发明扫描时成像区域辐射通量变化曲面图；
模型验证通过后将算法用于实际测量作进一步验证，对模型设定一组已知的参数(T1，T2…，Tn)，将多自由度改变的过程中采集到的电压曲线与理论模型中的多组不同参数下的不同曲线分别作相关运算，取相关程度最高的一组参数作为测量值，对比测量值(T1’，T2’…，Tn’)和预设值(T1，T2…，Tn)的误差是否满足精度要求，如果满足则进一步验证了该模型的正确性，如不满足则对模型作进一步修改，直到符合精度要求为止。
揭示耳腔及周边区域的热力学分布及辐射通量分布机理，模型逐步复杂化，构建符合实际应用场景的复杂模型，在简化的人耳模型基础上进一步加入符合实际情况的若干要素，包括耳边区域温度分区、二维平面模型转化为三维立体模型、加入环境温度和环境辐射的要素，完整的建模思路是：首先进行简化模型验证，简化模型验证通过后对耳边区域进行温度分区，之后将二维的平面结构转换为三维的立体结构，最后添加环境温度和环境辐射的要素，每一次模型的进一步复杂都要推导新的公式，然后数值仿真计算，实验验证。
结合现有的双目视觉3d重构技术或其他技术建立真实人耳的三维几何模型，对已建立人耳热力学及辐射通量分布的复杂模型进行实测验证。人耳热力学及辐射通量分布模型的建立需要得到人耳的表面几何结构信息，本发明中采用现有的基于双目视觉的三维模型重构技术，对人耳腔及其周边区域的几何结构进行重构，从而得到这部分区域的三维坐标，主要包括曲面形状和切面的辐射角度信息，将这部分人耳几何结构信息代入已建立的模型公式中，可用于真实情况下的人耳耳腔测温，选取多组不同样本在不同实验环境下测温，并与传统的接触式测温方式作对比，检测该模型在标准测试环境和复杂环境下的准确性，从而对该模型进行全面的验证、评估，根据实验的结果对改模型进行进一步的修改完善，以提高该模型在不同场景的适用性和鲁棒性。
本发明的原理为：普朗克辐射定律给出了黑体辐射的具体谱分布，在一定温度下，单位面积的黑体在单位时间、单位立体角内和单位波长间隔内辐射出的能量为黑体光谱辐射出射度M(λ,T)与波长、热力学温度之间关系的公式：
其中c1＝2πhc2,c2＝hc/k。
根据黑体辐射公式可知，黑体在(0，2π)的立体角范围(半球)的立体角范围内的辐出度(辐射能流)和黑体角方向无关，可认为黑体在各个方向的辐出能流相等。在一定温度下，单位面积的黑体在单位波长间隔内的电场强度分布：
其中ε(λ)为不同波长下的发射率，对于理想黑体，ε(λ)＝1。
把透镜成像看成是一个衍射受限的线性系统，衍射受限系统的物-像关系通过点扩散函数联系在一起，根据物面的场分布U0(xo,yo)，和点扩散函数h(xi,yi；xo,y0)，可求出像方焦平面的场分布Ui(xi,yi)。
由傅里叶光学的知识可知，衍射受限系统的点扩散函数：
其中P(x1,y1)为透镜的光瞳函数。
物方焦平面的一个点经过透镜成像的点扩散函数之后在像方焦平面的场强分布：
其中fo(xo,yo)＝1,xo 2+yo 2＜so 2为有效物方焦平面区域。
考虑黑体辐射的每一个面源为非相干辐射源，探测器区域接受到的总光强为各个黑体微元贡献光强的积分总和：
Ii(xi,yi；λ)＝{|h(xi,yi；xo,yo；λ)|2*Eo(xo,yo；λ)}·fi(xi,yi)
其中fo(xi,yi)＝1,xi 2+yi 2＜si 2为有效像方焦平面区域。
探测器接收到的总辐射通量：
其中α为探测器不同区域接收到的辐射通量权重因。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种耳腔成像区域多自由度控制的非接触温度测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：耳腔及周边区域的热力学及黑体辐射简化模型建立，推导温度反演算法，仿真计算，实验验证，验证通过后模型复杂程度逐渐增加，重复上述模型验证的过程，逐步建立逼近人耳真实情况的过渡模型和复杂模型。
2.根据权利要求1所述的一种耳腔成像区域多自由度控制的非接触温度测量方法，其特征在于，所述简化模型建立包括将三维的复杂生物学结构简化为二维的圆盘形几何结构，其中耳腔为小圆，耳腔周边区域为大圆，耳腔的温度为T1，耳腔周边温度分区为T2,T3.....Tn。
3.根据权利要求1所述的一种耳腔成像区域多自由度控制的非接触温度测量方法，其特征在于，所述简化模型建立包括对耳腔及其周边区域的辐射场分布情况进行公式推导，此公式用于模型建立，从简化模型到复杂模型以及中间的过渡模型，都有模型对应的理论公式用于数值仿真计算。
4.根据权利要求1所述的一种耳腔成像区域多自由度控制的非接触温度测量方法，其特征在于，对于最终建立的模型，结合双目视觉3d重构技术重构耳朵的三维结构并分区，将此信息带入此模型中作为该模型的建模参数。
5.根据权利要求4所述的一种耳腔成像区域多自由度控制的非接触温度测量方法，其特征在于，所述双目视觉3d重构技术包括对耳腔及其周边区域的几何结构进行重构，从而得到这部分区域的三维坐标，包括曲面形状和切面的辐射角度信息；将这部分人耳几何结构信息代入已建立的模型公式中，用于真实情况下的人耳耳腔测温。
6.根据权利要求5所述的一种耳腔成像区域多自由度控制的非接触温度测量方法，其特征在于，选取多组不同样本在不同实验环境下测温，并与传统的接触式测温方式作对比，验证模型在标准测试环境和复杂环境下的准确性，从而对该模型进行全面的验证、评估，根据实验的结果对模型进行进一步的修改完善，以提高该模型在不同场景的适用性和鲁棒性。
7.根据权利要求1所述的一种耳腔成像区域多自由度控制的非接触温度测量方法，其特征在于，所述推导温度反演算法包括利用探头从多自由度收集耳腔及其周边区域的不同信息，结合耳腔的几何模型和温度分区，该算法实现了从这些不同自由度下收集到的复杂信息中提取出耳朵不同分区的温度信息。
8.根据权利要求1所述的一种耳腔成像区域多自由度控制的非接触温度测量方法，其特征在于，所述推导温度反演算法中实现算法的核心方法为对成像区域进行多自由度的测量，多自由度测量的手段包括探头平移、旋转、倾斜操作，在此过程中，探头从多角度收集耳腔及其周边区域的不同信息。
9.根据权利要求8所述的一种耳腔成像区域多自由度控制的非接触温度测量方法，其特征在于，所述推导温度反演算法的具体过程为：在测量辐射通量的热电堆探头前面放置一个透镜，黑体表面的辐射会通过透镜汇聚到热电堆探头上，热电堆探头将辐射通量转换为电压信号，由透镜的聚焦公式和放大率公式可知热电堆探测器接收到的总辐射通量是在黑体表面成像区域所有辐射微元的积分总和，从理论可推导出辐射通量与多组不同参数组合的理论公式；首先利用标准黑体做探头辐射通量-输出电压的校准，然后将探头中心正对着耳腔模型，利用探头移动、倾斜，调节焦距和前后移动的方法，从多个自由度改变成像区域的成像位置，成像面积，成像角度，在这一过程中收集到足够多的耳腔及周边区域温度信息，这些信息以辐射积分转换为电压的方式被采集下来，对比推导的理论公式和探头采集到的电压信号是否一致，如果一致性良好则说明模型建立正确，验证通过。
10.根据权利要求1所述的一种耳腔成像区域多自由度控制的非接触温度测量方法，其特征在于，所述模型复杂程度逐渐增加是在简化模型的基础上进一步加入符合实际情况的要素，包括耳边区域温度分区、二维平面模型转化为三维立体模型、加入环境温度和环境辐射的要素，完整的建模思路是：首先进行简化模型验证，简化模型验证通过后对耳边区域进行温度分区，之后将二维的平面结构转换为三维的立体结构，最后添加环境温度和环境辐射的要素，每一次模型的进一步复杂都要推导新的公式，然后数值仿真计算，实验验证。
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2020
- 2020-05-08 CN CN202010382213.0A patent/CN111537084A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112254819A (zh) * | 2020-10-13 | 2021-01-22 | 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院 | 一种离子光频标黑体辐射温度评估方法 |
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