CN111795744A - 基于双目摄像头测距的红外测温补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于双目摄像头测距的红外测温补偿方法，包括采用双目摄像头采集人体图像信息、计算双目摄像头光圈中心与人体之间的距离、红外传感器温度补偿步骤。本发明采用双目摄像头检测的方式，通过对两幅图像视差的计算，得到人体与传感器之间的距离，再通过红外测温软件补偿算法，最终计算得到人体表面测量温度，测试温度受环境温度影响较小，精度高、性能稳定、部署更方便。
Description
技术领域：
本发明涉及人体表面测温技术领域,具体的涉及基于双目摄像头测距的红外测温补偿方法。
背景技术：
近年来随着公共卫生事件的大规模爆发，在抗疫防控过程中，各类传感技术作为技术手段起到了至关重要的作用，测温仪、呼吸机、负压救护车等医疗抗疫设施都离不开传感器的支持，特别是红外温度传感器作为体温测量设备的核心部件，备受业界关注。以额温枪为代表的外测温仪价格亲民，但需要人工一对一地近距离检测，不适合大规模人群测温，同时测量精度存在一定误差，而热成像仪则可远距离测量多人体温数据，适合大规模快速初筛场景，但售价较高，维护成本大。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容：
本发明的目的在于提供基于双目摄像头测距的红外测温补偿方法，从而克服上述现有技术中的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供了基于双目摄像头测距的红外测温补偿方法，包括以下步骤：
1)采用双目摄像头采集人体图像信息；
2)计算双目摄像头光圈中心与人体之间的距离z，定义双目摄像头光圈中心点为O，人体为P，左成像点为PL，右成像点为PR，两个摄像头之间的距离为基线b，成像点与光圈中心的距离为焦距f，左侧成像点与光圈中心的距离为UL，右侧成像点与光圈中心的距离为UR，视差为d，则视差d＝UL+UR，由公式(b-UL-UR)/b＝(z-f)/z可推导出：z＝fb/d从而得出z；
3)采取多次拟合对红外传感器温度进行补偿，根据物体表面辐射能量公式，计算出传感器输出特性，再利用温度补偿软件算法，完成传红外感器输出特性的标定过程，从而得到补偿后的人体温度。
具体的，红外传感器输出特性的标定采用如下方法：
首先，根据物体辐射能量公司，如果Tobj＝Tamb，计算得到传感器输出特性公式为：
式(1)中Tobj为目标绝对温度K，Tamb为环境温度K；δ为一待定因子，可以得到传感器输出电压中Usensor＝U0＝0，无论环境是多少，当目标温度与环境温度相等时传感器输出电压为零，其次，对于具有式(1)特性的传感器，对目标温度进行偏导计算，得到：
式(2)表明：传感器的输出，对目标温度各阶偏导与Tamb无关，因此，在使用多项式拟合时可以不考虑Tamb的影响，将不同环境温度下的输出曲线，在某一特定环境温度做多项式拟合，拟合得到的各阶系数适用于整个环境温度范围，只是常数项有所不同。
根据上述计算，标定方案如下：
(1)标定传感器热敏电阻：主要标定热敏电阻器的R0,通过测量某一恒定温度下的电阻值来标定；
(2)标定零点输出电压：在某一环境温度下，如果环境温度与目标温度相同时，则标定测温仪的输出电压U0＝f(Tref，Tref)，可以通过对准长时间放在该环境温度下的某物体来获得；
(3)拟合曲线参数：在某环境温度下，测量几个不同温度黑体的输出电压，用测得的电压值拟合输出曲线U＝f(Tobj，Tref)。
通过以上三个步骤即完成了标定工作，其中，步骤(1)，(2)是标定组成测温仪各器件的个体差异，此差异将造成后期测量时一个系统偏差，考虑到系统具有重复性，也可以先用统计规律数据代替这两步标定，最后再折算成测量系统误差统一修正，步骤(3)得到的拟合系数，一次以上的系数适用于所有环境温度，需要保存用于将来计算，而常数项只适用于该参考温度 Tref，不适合将来使用，因此不必保存。
所述红外测温补偿方法应用于大规模人群体温测试。
所述红外测温补偿方法与人脸识别结合应用于人员进出管理。
与现有技术相比，本发明的一方面具有如下有益效果：
本发明采用双目摄像头检测的方式，通过对两幅图像视差的计算，得到人体与传感器之间的距离，再通过红外测温软件补偿算法，最终计算得到人体表面测量温度，测试温度受环境温度影响较小，精度高、性能稳定、部署更方便。
附图说明：
图1为本发明采用双目摄像头采集人体位置示意图；
图2为本发明的六次多项式的拟合曲线示意图。
具体实施方式：
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
基于双目摄像头测距的红外测温补偿方法，从而克服上述现有技术中的缺陷。
为实现上述目的，如图1所示，本发明提供了基于双目摄像头测距的红外测温补偿方法，包括以下步骤：
1)采用双目摄像头采集人体图像信息；
2)计算双目摄像头光圈中心与人体之间的距离z，定义双目摄像头光圈中心点为O，人体为P，左成像点为PL，右成像点为PR，两个摄像头之间的距离为基线b，成像点与光圈中心的距离为焦距f，左侧成像点与光圈中心的距离为UL，右侧成像点与光圈中心的距离为UR，视差为d，则视差d＝UL+UR，由公式(b-UL-UR)/b＝(z-f)/z可推导出：z＝fb/d从而得出z；
3)采取多次拟合对红外传感器温度进行补偿，根据物体的辐射能量公式，首先计算出传感器输出特性，对传感器输出特性进行标定，然后再利用温度补偿软件算法，得到补偿后的人体温度；
具体的，红外传感器输出特性的标定采用如下方法：
首先，如果Tobj＝Tamb，由物体表面辐射能量公式可得如下算式：
式(1)可以得到传感器输出电压中Usensor＝U0＝0，无论环境是多少，当目标温度与环境温度相等时传感器输出电压为零，其次，对于具有式(1)特性的传感器，对目标温度进行偏导计算，得到：
式(2)表明：传感器输出对目标温度各阶偏导与Tamb无关，因此，在使用多项式拟合时可以不考虑Tamb的影响，将不同环境温度下的输出曲线，在某一特定环境温度做多项式拟合，拟合得到的各阶系数适用于整个环境温度范围，只是常数项有所不同。
根据上述计算，标定方案如下：
(1)标定传感器热敏电阻：主要标定热敏电阻器的R0,通过测量某一恒定温度下的电阻值来标定；
(2)标定零点输出电压：在某一环境温度下，如果环境温度与目标温度相同时，则标定测温仪的输出电压U0＝f(Tref，Tref)，可以通过对准长时间放在该环境温度下的某物体来获得；
(3)拟合曲线参数：在某环境温度下，测量几个不同温度黑体的输出电压，用测得的电压值拟合输出曲线U＝f(Tobj，Tref)。
通过以上三个步骤即完成了标定工作，其中，步骤(1)，(2)是标定组成测温仪各器件的个体差异，此差异将造成后期测量时一个系统偏差，考虑到系统具有重复性，也可以先用统计规律数据代替这两步标定，最后再折算成测量系统误差统一修正，步骤(3)得到的拟合系数，一次以上的系数适用于所有环境温度，需要保存用于将来计算，而常数项只适用于该参考温度 Tref，不适合将来使用，因此不必保存。
正常测量时，按下面算法进行：
(1)测量环境温度：通过标定过的热敏电阻器测得当前传感器所处的环境温度Tamb；
(2)测量目标电压值Uobj，并结合先前标定得到的U0，由
f(Tobj，Tamb)-f(Tamb，Tamb)＝Uobj-U0， (3)
式中f(Tobj，Tamb)和f(Tamb，Tamb)用标定得到的多项式拟合参数计算，需要注意的是由于系统温度漂移对温度补偿影响很大，需要严格控制，控制的途径主要是选择合适的元器件，特别是在放大器的选型上。
温度补偿：
在实际环境中，红外测温系统所测得的目标温度存在一定误差，需要对红外传感器所测得的温度结果进行修正补偿，由于测温距离是影响红外测温结果最主要的因子，本方案设计一个被测的恒温系统，稳定在100℃，通过变化测量距离采集不同数据，如下表所示；然后利用MATLAB软件对采集数据进行拟合分析，得到一条相对接近的以距离为参数的红外测温系统特性曲线，将此特性曲线作为依据，设计针对性的修正补偿方案。
测温距离与红外温度数据如下表：
| 距离z(m) | 0.6 | 0.9 | 1 | 1.2 | 1.4 | 1.7 | 2.03 | 2.2 | 2.4 | 2.7 | 3.05 |
| 红外温度℃ | 59.4 | 58.1 | 57.8 | 55.7 | 52.6 | 50.4 | 47.7 | 45.5 | 43.7 | 42.3 | 40.9 |
| 距离z(m) | 3.2 | 3.5 | 3.8 | 4.1 | 4.4 | 4.69 | 5 | 5.2 | 5.48 | 6 | |
| 红外温度℃ | 40.1 | 39.7 | 38.5 | 37.5 | 36.7 | 35.3 | 34.7 | 34.5 | 33.5 | 32.6 |
上表是在实验室环境下固定一个恒温100℃的物体，然后采集不同距离的点位进行温度测试，例如在距离0.6m处点位测温是59.4℃，那代表同等环境下如果距离一个物体0.6m处测温是59.4℃，那这个物体实际温度就是100℃。
采用最小二乘法进行数据拟合，该方法通过使误差平方和最小来寻求测量数据最合适函数表达式，其原理是根据现有的若干个数据点(xi,yi)，想要获得一个关于x，y的表达式：
则要使误差的平方和最小，即要求：
当上述误差的平方和最小时，就可以得出一个拟合函数表达式
采用MATLAB软件对采集数据进行拟合分析，通过选取参照指数函数、有理式函数、幂指数函数、多项式函数、傅里叶函数、高斯函数、正弦函数等对实验数据进行拟合，进行对比分析，采用六次多项式拟合的函数可以很好的满足本方案，六次多项式的拟合曲线如图2所示：
针对人体红外测温也采取同样数据采集、分析拟合的方法，例如人体的正常温度是36.7℃，然后分别距离这个人体0.1/0.2/0.3/0.4/0.5/0.6/0.7/0.8/0.9m 地方，采集一组对应的人体测试温度，通过这组数据拟合出一个曲线函数，再根据距离衰减补偿算法计算人体实际温度。(根据传感器及其他元器件特性，衰减补偿算法有所不同)。
本发明采用双目摄像头检测的方式，通过对两幅图像视差的计算，得到人体与传感器之间的距离，再通过红外测温软件补偿算法，最终计算得到人体表面测量温度，测试温度受环境温度影响较小，精度高、性能稳定、部署更方便。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。
Claims (3)
1.基于双目摄像头测距的红外测温补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)采用双目摄像头采集人体图像信息；
2)计算双目摄像头光圈中心与人体之间的距离z，定义双目摄像头光圈中心点为O，人体为P，左成像点为PL，右成像点为PR，两个摄像头之间的距离为基线b，成像点与光圈中心的距离为焦距f，左侧成像点与光圈中心的距离为UL，右侧成像点与光圈中心的距离为UR，视差为d，则视差d＝UL+UR，由公式(b-UL-UR)/b＝(z-f)/z可推导出：z＝fb/d从而得出z；
3)采取多次拟合对红外传感器温度进行补偿，根据物体表面辐射能量公式，计算出传感器输出特性，再利用温度补偿软件算法，完成传红外感器输出特性的标定过程得到补偿后的人体温度。
2.根据权利要求1所述的基于双目摄像头测距的红外测温补偿方法，其特征在于：所述红外测温补偿方法应用于大规模人群体温测试。
3.根据权利要求1所述的基于双目摄像头测距的红外测温补偿方法，其特征在于：所述红外测温补偿方法与人脸识别结合应用于人员进出管理。
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