CN111579082B - 红外热成像测温系统的误差自动补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热成像测温系统的距离与角度误差自动补偿方法，根据热像仪获取的红外热成像图像，确定被测目标测温点在图像坐标系系内的横坐标、纵坐标和极坐标；结合热像仪安装高度、焦点距离、热像仪镜头焦距以及人体平均高度值，通过几何关系计算得到被测目标的距离值与偏转角度值；利用预先保存在热像仪中的距离误差校准曲线，将原有测得的温度值与对应的校准值相乘，其乘积为补偿后的温度值。本发明提出的距离与角度误差补偿方法不需要额外增加任何硬件设备，也不需要额外的采集动作，可以自动适应被测目标的距离与偏转角度变化，零投入、零滞后，性价比极高，而且具有更广泛的实用性和通用性。

Description

红外热成像测温系统的误差自动补偿方法

技术领域

本发明涉及一种红外热成像测温系统的误差补偿方法，具体地，涉及的是一种红外热成像测温系统的距离和/或角度误差自动补偿方法。

背景技术

红外热成像体温测试系统的优点明显：远距离、非接触、多目标，适合机场、地铁、铁路及楼宇入口等。体温测试的意义在于前期筛查，主要用于在人群中发现疑似发烧人员，进一步进行精确的体温测量及后续检查。

但是，目前的热成像体温筛检系统仍然存在严重不足，特别是受使用过程中多种因素影响，导致测温精度大幅度下降，甚至形同虚设。主要体现在：

一是热成像测温精度受被测目标与热像仪的距离的影响非常严重：当目标处在不同距离时体温检测精度不同，近距离时检测精度下降严重(最高可达±5℃)。现有热成像系统大都采用在一个固定距离处(一般为镜头的焦点)放置标准黑体辐射源进行离线校准的方法，并设置相应的一个距离系数进行距离误差修正。而实际温度测量过程中，被测目标一直处于移动状态，其距离也一直在变化，原有设定的距离系数也注定会失效，导致测温的结果并不可信。部分的专利也提出了额外增加测距传感器来探测目标的距离、然后进行距离误差修正的方法，但是需要系统增加额外成本、系统复杂度增加，而且外加的测距组件与原有热像仪的电路和软件衔接也会存在问题，使用并不方便。

二是热成像测温系统受被测目标相对于热像仪光轴的偏转角度的影响很严重：当被测目标处于视场区域内的左侧或者右侧边缘位置时，由于热像仪镜头本身的通光特性，不可避免地导致其内部的光电探测器得到的热辐射信号急剧下降，由此产生测温误差，并导致在整个视场范围内的测温不均匀性和不一致性。一般而言，经过镜头的光线亮度与光线和光轴夹角的COS值的4次方成正比。因此，被测目标的偏转角度变化对测温精度的影响同样也是非常明显的，特别是是在大范围、多目标测温场合，影响更加严重。然而目前国内外现有的热像仪均没有对此进行研究和提出相应的补偿措施，大部分的热成像系统都采用在同等距离处的中心点和左右两侧四等分点几个位置移动黑体辐射源进行离线校准，这同样会导致实际温度测量过程中原有设定的参数失效，测温的结果同样不可信。

经检索，为了解决上述的问题，申请号为201911321815.9的中国发明专利申请，公开了一种基于非制冷红外热成像测温技术的距离补偿方法，该发明通过对非制冷红外热成像机芯标定，进行盲元检测及补偿、温漂补偿、图像非均匀性校正；利用拟合工具进行拟合，确定拟合参数，进行确定距离的红外热成像温度补偿，实现了远距离测温精度在±2℃范围内。

上述专利实现了距离补偿方法，但现有的距离补偿技术，都是利用其它测距仪器来测量黑体与热成像系统之间的距离，建立模型，进行距离补偿。这种补偿方法的前提，是必须有额外的测距手段才行，系统复杂度和成本均增加。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种红外热成像测温系统的距离与角度误差自动补偿方法，解决现有热成像测温系统对目标距离敏感的问题，提高测温精度。

另外，根据研究发现，由于热像仪的安装必须高于被测目标，或明显偏置，因此目标移动过程中，不仅距离发生变化，同时角度也发生变化。现有热成像测温系统补偿技术中，只有距离补偿而没有角度补偿，因此导致测温精度仍有待提高。

为实现上述的目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种红外热成像测温系统的距离与角度误差自动补偿方法，包括：

根据热像仪获取的红外热成像图像，确定被测目标测温点在图像坐标系系内的横坐标、纵坐标和极坐标；

根据获得的被测目标测温点的坐标，结合热像仪安装高度、焦点距离、热像仪镜头焦距以及人体平均高度值，通过几何关系计算得到被测目标测温点与热像仪镜头光轴之间的目标距离值和/或偏转角度值；

根据得到的被测目标的距离值与偏转角度值，利用预先保存在热像仪中的距离和/或偏转角度的误差校准曲线，将该被测目标测温点原测得的温度值与该误差校准曲线对应的校准值相乘，其乘积作为补偿后的温度值。

可选地，所述误差校准曲线，其中距离的误差校准曲线通过实验测试得到，其方法是：将标准黑体辐射源分别置于热像仪焦点以及前后不同距离处，分别记录热像仪测试黑体辐射源的温度值、计算得到的被测目标测温点与热像仪镜头光轴之间的目标距离值，则：任一目标距离处的校准值为该距离值处温度值与热像仪焦点处的温度值的比值。

可选地，所述误差校准曲线，其中距离的误差校准曲线通过理论计算得出，即：任一目标距离处的校准值为该目标距离值平方与热像仪焦点距离值的平方的比值。

可选地，所述误差校准曲线，其中偏转角度的误差校准曲线通过实验测试得到，其方法是：将标准黑体辐射源分别置于热像仪焦点以及左右两侧不同位置处，分别记录热像仪测试黑体辐射源的温度值、所述被测目标测温点与热像仪镜头光轴之间的偏转角度值，则：任一偏转角度下的校准值为热像仪焦点处的温度值与该偏转角度下温度值的比值。

可选地，所述误差校准曲线，其中偏转角度的误差校准曲线通过理论计算得出，即：任一偏转角度下的校准值为该偏转角度的余弦函数值的四次方的倒数。

可选地，所述通过几何关系计算得到被测目标测温点与热像仪镜头光轴之间的目标距离值，包括：设被测目标测温点的纵坐标为Y，热像仪的安装高度为H0，热像仪探测的焦点距离为D0，热像仪的镜头的焦距为f，人体平均高度为H0，则被测目标测温点与热像仪的光轴在垂直平面内的夹角为β＝arctan(Y/f)，热像仪初始安装时焦点位置与水平线的俯仰角为β0＝arctan[(H-h)/D0]，此时被测目标测温点的目标距离值为D＝(H-h)/tan(β+β0)。

可选地，所述通过几何关系计算得到被测目标测温点与热像仪镜头光轴之间的偏转角度值，包括：设被测目标测温点的极坐标为R，热像仪的镜头的焦距为f，则被测目标测温点的偏转角度等于被测目标测温点与热像仪的光轴夹角，即为β＝arctan(R/f)。

可选地，将该被测目标测温点原测得的温度值与该误差校准曲线对应的校准值相乘，其乘积作为补偿后的温度值，包括：根据距离的误差校准曲线，横坐标为目标距离值，纵坐标为校准值，根据获得的被测目标测温点的目标距离值D，在距离误差校准曲线上找到对应的校准值k，热像仪之前测得的温度值为T，则经过距离误差补偿后的温度值为Tc＝kT。

可选地，将该被测目标测温点原测得的温度值与该误差校准曲线对应的校准值相乘，其乘积作为补偿后的温度值，包括：根据角度误差校准曲线，横坐标为目标角度值，纵坐标为校准值，根据获得的被测目标测温点的偏转角度值β，在角度误差校准曲线上找到对应的校准值k，热像仪之前测得的温度值为T，则经过角度误差补偿后的温度值为Tc＝kT。

与现有技术相比，本发明实施例具有如下至少一种有益效果：

本发明上述误差自动补偿方法，针对现有热成像测温系统对目标距离或偏转变化敏感的问题，直接利用热成像的图像获取被测目标的距离信息或偏转角度信息，并对测温结果自动进行补偿和修正，显著提高测温精度和现场的适应性。同时，本发明可以同时对距离或偏转角度进行双参数补偿，进一步提高测温精度。

本发明上述误差自动补偿方法，不管距离或偏转角度的自动补偿，不需要额外增加任何硬件设备、不需要额外的采集动作，自动适应被测目标的距离与偏转角度变化，零投入、零滞后，性价比极高，而且具有更广泛的实用性和通用性。

本发明上述误差自动补偿方法，首次将考虑了偏转角度的补偿，相对于现有技术具有长足的突破性进步。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一实施例中误差自动补偿方法的流程图；

图2是本发明一实施例中的被测目标测温点图像坐标示意图；

图3是本发明一实施例中的被测目标距离计算方法示意图；

图4是本发明一实施例中的被测目标偏转角度计算方法示意图；

图5是本发明一实施例中的距离误差校准曲线示意图；

图6是本发明一实施例中的角度误差校准曲线示意图；

图中，1-热像仪，2-镜头，3-红外探测器，4-被测目标，5-标准黑体辐射源。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1是本发明一实施例中误差自动补偿方法的流程图。

参照图1所示，该实施例中红外热成像测温系统的距离与角度误差自动补偿方法，包括：

S100,根据热像仪获取的红外热成像图像，确定被测目标测温点在图像坐标系系内的横坐标、纵坐标和极坐标；

S200,根据获得的被测目标测温点的坐标，结合热像仪安装高度、焦点距离、热像仪镜头焦距以及人体平均高度值，通过几何关系计算得到被测目标测温点与热像仪镜头光轴之间的目标距离值与偏转角度值；

S300,根据得到的被测目标的距离值与偏转角度值，利用预先保存在热像仪中的距离与偏转角度的误差校准曲线，将该被测目标测温点原测得的温度值与该误差校准曲线对应的校准值相乘，其乘积作为补偿后的温度值。

本实施例通过上述的步骤直接利用热成像的图像获取被测目标的距离信息与偏转角度信息，并对测温结果自动进行补偿和修正，显著提高测温精度和现场的适应性，能够很好解决现有热成像测温系统对目标距离和偏转变化敏感的问题。由于热像仪的安装必须高于被测目标，或明显偏置，因此目标移动过程中，不仅距离发生变化，同时角度也发生变化，只有两个参数同时进行补偿才是理论上完全补偿与修正。当然，应该理解的是，上述是本发明的一优选实施例，在其他实施例中，也可以单独使用距离、偏转角度来进行分别补偿和修正，只是效果没有双参数补偿好。

为了更好理解上述方法的实现，以下结合一优选实施例中的详细操作来进行说明。

具体的，在一优选实施例中，热成像测温系统的距离与角度误差自动补偿方法包括以下几个步骤：

(1)根据热像仪1获取的红外热成像图像，确定被测目标4的测温点在图像坐标系内的横坐标、纵坐标和极坐标。如图2所示，红外探测器3的图像坐标系xoy的原点为红外探测器3的中心，横坐标轴x与红外探测器3的行对应、向右为正，纵坐标轴y与红外探测器3的列对应、向上为正，被测目标4的测温点(例如图1中为额头)在红外探测器3的图像坐标系xoy中的横坐标为X、纵坐标为Y，极坐标为R＝(X2+Y2)1/2。

(2)根据第(1)步获得的被测目标4测温点的纵坐标，以及热像仪1的安装高度、焦点距离、热像仪镜头焦距以及人体平均高度值，通过几何关系计算得到被测目标的距离。如图3所示，被测目标4测温点的纵坐标为Y，热像仪1的安装高度为H0，热像仪1探测的焦点距离为D0，热像仪1的镜头2的焦距为f，人体平均高度为H0，则被测目标4的测温点与热像仪1的光轴在垂直平面内的夹角为β＝arctan(Y/f)，热像仪1初始安装时焦点位置与水平线的俯仰角为β0＝arctan[(H-h)/D0]，此时被测目标4的测温点的目标距离值为D＝(H-h)/tan(β+β0)。

(3)根据第(1)步获得的被测目标4的测温点的极坐标，以及热像仪镜头焦距，通过几何关系计算得到被测目标的与热像仪镜头光轴之间的偏转角度。如图4所示，被测目标4的测温点的极坐标为R，热像仪1的镜头2的焦距为f，则被测目标4的偏转角度等于被测目标4的测温点与热像仪1的光轴夹角，即为β＝arctan(R/f)。

(4)根据第(2)步获得的被测目标4的目标距离值，以及预先保存在热像仪1中的距离误差校准曲线，对距离误差进行补偿与修正，其方法为：将原有测得的温度值与该目标距离对应的校准值相乘，其乘积为补偿后的温度值。如图5所示为一个具体的距离误差校准曲线，横坐标为目标距离值，纵坐标为校准值，根据第(2)步获得的被测目标4的测温点的目标距离值D，在距离误差校准曲线上找到对应的校准值k，热像仪1之前测得的温度值为T，则经过距离误差补偿后的温度值为Tc＝kT。

(5)根据第(3)步获得的被测目标4的测温点的偏转角度值，以及预先保存在热像仪1中的角度误差校准曲线，对角度误差进行补偿与修正，其方法为：将原有测得的温度值与该偏转角度对应的校准值相乘，其乘积为补偿后的温度值。如图6所示为一个具体的角度误差校准曲线，横坐标为目标角度值，纵坐标为校准值，根据第(3)步获得的被测目标4的测温点的偏转角度值β，在角度误差校准曲线上找到对应的校准值k，热像仪1之前测得的温度值为T，则经过角度误差补偿后的温度值为Tc＝kT。

作为优选，上述实施例中的热成像测温系统的距离与角度误差自动补偿方法，距离误差校准曲线可以通过理论计算得出，其方法是：任一目标距离处的校准值为该目标距离平方与焦点距离的平方的比值。例如，在距离D处的校准值即为k＝D2/D02。

作为优选，上述实施例中的热成像测温系统的距离与角度误差自动补偿方法，距离误差校准曲线也可以通过实验测试得到，其方法是：将标准黑体辐射源5分别置于焦点以及前后不同距离处，分别记录热像仪1测试黑体辐射源5的温度值和利用第(2)步获得的目标距离值，则任一目标距离处的校准值则为焦点处的温度值与该目标距离处温度值的比值。例如，焦点处的黑体辐射源5的测试温度值为T0，距离D处的黑体辐射源5的测试温度值为T，则距离D处的校准值为k＝T0/T。

作为优选，上述实施例中的热成像测温系统的距离与角度误差自动补偿方法，角度误差校准曲线可以通过理论计算得出，其方法是：任一偏转角度下的校准值为该偏转角度的余弦函数值的四次方的倒数。例如，对于偏转角度θ，其校准值为k＝(cosθ)-4。

作为优选，上述实施例中的热成像测温系统的距离与角度误差自动补偿方法，角度误差校准曲线也可以通过实验测试得到，其方法是：将标准黑体辐射源5分别置于焦点以及左右两侧不同位置处，分别记录热像仪1测试黑体辐射源5的温度值和利用本发明的校准方法第(3)步获得的偏转角度值，任一偏转角度下的校准值为焦点处的温度值与该偏转角度下温度值的比值。例如，焦点处标准黑体辐射源5的测试温度值为T0，偏转角度θ下的黑体辐射源5的测试温度值为T，则偏转角度θ下的校准值为k＝T0/T。

由上述实施例可知，相对于已有的热成像测温系统误差补偿方法，都是利用其它测距仪器来测量黑体与热成像系统之间的距离，建立模型，进行距离补偿，必须有额外的测距手段才行，系统复杂度和成本均增加。而本发明实施例无需增加任何硬件设备，不改变任何硬件，只需升级软件系统，直接利用热图像信息，获得距离信息，并自动进行补偿，系统复杂度和成本均大大降低，小投入、大产出，超高性价比，技术进步十分显著。进一步的，还可以单独或同时采用角度信息自动进行补偿，大大提升了测温精度。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种红外热成像测温系统的距离与角度误差自动补偿方法，其特征在于，包括：

根据热像仪获取的红外热成像图像，确定被测目标测温点在图像坐标系系内的横坐标、纵坐标和极坐标；

根据获得的被测目标测温点的坐标，结合热像仪安装高度、焦点距离、热像仪镜头焦距以及人体平均高度值，通过几何关系计算得到被测目标测温点与热像仪镜头光轴之间的目标距离值和/或偏转角度值；

根据得到的被测目标的距离值和/或偏转角度值，利用预先保存在热像仪中的距离和/或偏转角度的误差校准曲线，将该被测目标测温点原测得的温度值与该误差校准曲线对应的校准值相乘，其乘积作为补偿后的温度值；

所述通过几何关系计算得到被测目标测温点与热像仪镜头光轴之间的目标距离值，包括：

设被测目标测温点的纵坐标为Y，热像仪的安装高度为H0，热像仪探测的焦点距离为D0，热像仪的镜头的焦距为f，人体平均高度为H0，则被测目标测温点与热像仪的光轴在垂直平面内的夹角为β＝arctan(Y/f)，热像仪初始安装时焦点位置与水平线的俯仰角为β0＝arctan[(H-h)/D0]，此时被测目标测温点的目标距离值为D＝(H-h)/tan(β+β0)；

所述通过几何关系计算得到被测目标测温点与热像仪镜头光轴之间的偏转角度值，包括：

设被测目标测温点的极坐标为R，热像仪的镜头的焦距为f，则被测目标测温点的偏转角度等于被测目标测温点与热像仪的光轴夹角，即为β＝arctan(R/f)；

将该被测目标测温点原测得的温度值与该误差校准曲线对应的校准值相乘，其乘积作为补偿后的温度值，包括：

根据距离的误差校准曲线，横坐标为目标距离值，纵坐标为校准值，根据获得的被测目标测温点的目标距离值D，在距离误差校准曲线上找到对应的校准值k，热像仪之前测得的温度值为T，则经过距离误差补偿后的温度值为Tc＝kT；或，

将该被测目标测温点原测得的温度值与该误差校准曲线对应的校准值相乘，其乘积作为补偿后的温度值，包括：

根据角度误差校准曲线，横坐标为目标角度值，纵坐标为校准值，根据获得的被测目标测温点的偏转角度值β，在角度误差校准曲线上找到对应的校准值k，热像仪之前测得的温度值为T，则经过角度误差补偿后的温度值为Tc＝kT。

2.根据权利要求1所述的红外热成像测温系统的距离与角度误差自动补偿方法，其特征在于，所述误差校准曲线，其中距离的误差校准曲线通过实验测试得到，其方法是：

将标准黑体辐射源分别置于热像仪焦点以及前后不同距离处，分别记录热像仪测试黑体辐射源的温度值、计算得到的被测目标测温点与热像仪镜头光轴之间的目标距离值，则：

任一目标距离处的校准值为该距离值处温度值与热像仪焦点处的温度值的比值。

3.根据权利要求1所述的红外热成像测温系统的距离与角度误差自动补偿方法，其特征在于，所述误差校准曲线，其中距离的误差校准曲线通过理论计算得出，即：

任一目标距离处的校准值为该目标距离值平方与热像仪焦点距离值的平方的比值。

4.根据权利要求1所述的红外热成像测温系统的距离与角度误差自动补偿方法，其特征在于，所述误差校准曲线，其中偏转角度的误差校准曲线通过实验测试得到，其方法是：

将标准黑体辐射源分别置于热像仪焦点以及左右两侧不同位置处，分别记录热像仪测试黑体辐射源的温度值、所述被测目标测温点与热像仪镜头光轴之间的偏转角度值，则：

任一偏转角度下的校准值为热像仪焦点处的温度值与该偏转角度下温度值的比值。

5.根据权利要求1所述的红外热成像测温系统的距离与角度误差自动补偿方法，其特征在于，所述误差校准曲线，其中偏转角度的误差校准曲线通过理论计算得出，即：

任一偏转角度下的校准值为该偏转角度的余弦函数值的四次方的倒数。

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