CN112102271A - 一种基于普通数字相机的实时在线火焰温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及火焰温度测量技术领域，公开了一种基于普通数字相机的实时在线火焰温度测量方法，包括如下步骤：用监视相机和测温相机同时对火焰拍摄；获取火焰温度与两基色强度比值的关系曲线：通过求解优化将测温相机的图像与监视相机的图像通过空间几何变换关系转化到同一坐标系下，得到火焰温度与监视相机图像中R、G、B通道所记录的强度比值之间的关系曲线；实时读取监视相机拍摄图像，根据温度与两基色强度之间的关系曲线，获得火焰的温度。该方法该在不干扰相机正常运行的情况下，能够对正在使用的相机实现在线标定，实现火焰温度实时在线测量，完全避免了离线标定监视相机和对设备的改造。

Description

一种基于普通数字相机的实时在线火焰温度测量方法

技术领域

本发明涉及火焰温度测量技术领域，具体涉及一种基于普通数字相机的实时在线火焰温度测量方法。

背景技术

在众多工业上，如火力发电、锅炉、瓦窑、冶金等一系列工业过程中，火焰的温度场对于燃烧状态的判断有着非常重要的意义，只有通过对燃烧工况的准确判断才能正确地对工业过程进行相应的调整，从而提高生产效率和过程稳定性。在实际应用中，二维温度场能够反映火焰中心位置，结焦状况等有关燃烧工况的重要信息。

目前，对于火焰温度场的测量，主要可分为两种，一种是基于红外光的热成像技术，一种是基于可见光的数字图像测温技术。由于红外热像仪的价格昂贵，且对使用环境要求苛刻，在工业场景中应用较少。基于数字图像的测温技术，设备成本低，且具有温度上限高，响应速度快等优点，一直以来都是研究的热点。

目前国内外提出了多种基于可见光数字图像的测温方法，但这些方法集中于针对不同场景，不同对象的燃烧机理的研究，且依赖专有仪器，采用实验室手段对不同物质燃烧时的辐射特性进行研究，建立相应的机理模型完成测温。(闫伟杰.基于光谱分析和图像处理的火焰温度及辐射特性检测[D]；华中科技大学,2014.管良兵.高动态范围的火焰温度场分布的测量研究[D]；浙江大学,2006.姚福安,庞向坤,焦营营基于三色法和BP神经网络的回转窑温度检测[J]山东大学学报(工学版)[J].2008,02):61-5.周怀春，娄新生，肖教芳，尹鹤龄，邓元凯，顾一之，徐方灵，孙国俊.炉膛火焰温度场图象处理试验研究[J].中国电机工程学报,1995,05):295-300.王亚飞.城镇生活垃圾焚烧火焰辐射特性及其燃烧优化的研究[D]；浙江大学,2019.薛祯祯.基于可见光辐射的垃圾焚烧炉火焰温度检测与燃烧诊断[D]；中国矿业大学,2016.)这些方法需要用到光谱仪和黑体炉等专业的仪器设备进行标定，以获得火焰温度和基色灰度值之间的关系。由于需要使用专业仪器，增加了测量成本，且使得操作复杂化，难以推广使用。

公告号为CN101403639A公开了一种火焰的温度图像及黑度图像检测方法，通过黑体炉标定并进行拟合获得了火焰温度与基色强度比值之间关系。且测量温度受到黑体炉温度范围限制，且依然需要在实验室条件下进行标定，没法对正在使用的监视相机进行标定。

公告号为CN106644102A公开了一种基于CCD相机火焰温度测量方法，通过测量可探测范围内的波长的相对透过率，从而得到相机响应效率曲线的办法，使得标定环节不需要使用黑体炉进行实验，测温范围不受黑体炉限制，但仍然需要在实验室条件下进行。

目前所有的方法都需要对相机进行离线标定，不能对工厂中正在使用的相机进行标定，然而，对应已经投用的设备或装置，增加图像测温相机就必须对设备进行改造，需要较大的改造产生。这些因素都造成了现有方法的实际应用困难，使得数字图像测温相机的实际工业应用较少。

发明内容

针对目前技术的缺陷，本发明提供一种基于普通彩色数字相机的火焰温度测量方法，该方法在不干扰相机正常运行的情况下，能够对正在使用的相机实现在线标定，实现火焰温度实时在线测量，完全避免了离线标定监视相机和对设备的改造。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于普通数字相机的实时在线火焰温度测量方法，包括如下步骤：

(1)拍摄火焰：用监视相机和测温相机同时对火焰拍摄；其中监视相机为已经安装并投用的相机，测温相机为具有测温功能的热像仪或已标定的数字相机，是临时固定的相机。

(2)获取火焰温度与两基色强度比值的关系曲线：通过求解优化将测温相机获得的图像与监视相机获得的图像通过空间几何变换关系转化到同一坐标系下，得到火焰温度与监视相机图像中R、G、B通道所记录的强度比值之间的关系曲线，具体优化问题形式如下：

其中，

为监视相机拍摄画面中坐标为(x,y)位置处火焰的估计温度；T(x,y)为监视相机拍摄画面中坐标为(x,y)位置处火焰的真实温度；S表示监控相机拍摄的画面区域；

(3)温度获取：实时读取监视相机拍摄图像，任意选取两基色灰度值计算强度比值，根据步骤(2)获得的温度与两基色强度之间的关系曲线，获得火焰的温度。

优选地，步骤(1)中，所述监视相机和测温相机对火焰拍摄的画面尽可能重合，利于简化空间几何变换关系，加快不同拍摄画面中优化问题的求解速度并提升测温的精度。

监视相机拍摄画面中坐标为(x,y)位置处火焰的估计温度

与两基色强度比值的关系用如下公式表示：

其中，r为任意两基色强度值的比例，例如r＝R/G或r＝B/G，k和b为温度系数。

优选地，根据r的范围将r分成n段，分别对应n个温度段，其中第i个温度段中估计温度

用如下公式表示：

其中，k_i和b_i为第i个温度段的温度系数。用分段线性的办法可以提升拟合效果。

则此时优化问题形式变为：

其中，

为监视相机拍摄画面中第i个温度段内坐标为(x,y)位置处火焰的估计温度；T(x,y)为监视相机拍摄画面中坐标为(x,y)位置处火焰的真实温度；S_i表示第i个温度段对应的像素所在的区域；

监视相机拍摄画面中坐标为(x,y)位置处的火焰的真实温度T(x,y)为测温相机拍摄画面(x',y')位置处火焰的温度，用如下公式表示：T(x,y)＝T′(x′,y′)；

其中，(x',y')由(x,y)通过空间几何变换得到，具体表示为(x′,y′)＝f(x,y)，f为(x,y)转化为(x',y')的函数形式，f通过选择空间几何变换模型确定。

所述空间几何变换模型包括：刚体变换、仿射变换、投影变换或非线性变换。

确定(x',y')与(x,y)的空间几何变换模型后，即得到不同形式的f,f中所需的所有参数统一用向量a来表示，即可确定(x,y)与(x',y')之间的函数关系。

优选地，当由于相机空间位置受限，两相机与目标物体距离不相同时，所述空间几何变换模型为投影变换，(x′,y′)＝f(x,y)用如下公式表示：

则向量a表示为：

a＝[a₁₁,a₁₂,a₁₃,a₂₁,a₂₂,a₂₃,a₃₁,a₃₂,a₃₃]

其中，a₁₁、a₁₂、a₁₃、a₂₁、a₂₂、a₂₃、a₃₁、a₃₂、a₃₃为投影变换的特征参数，且其中a₃₃＝1。

优选的，当两相机位置相近，拍摄角度相近，所述空间几何变换模型选用仿射变换，仿射变换是投影变换的一种简化，形式与投影变换相同，但其中a₃₁＝a₃₂＝0,a₃₃＝1。

优选的，当两相机拍摄画面具有全局变形性，所述空间几何变换模型选择非线性变换，采用基于B样条地自由变形模型，其模型定义如下：

令Ω＝{(x,y)∣0≤x＜X,0≤y＜Y}.表示为待配图像，其中(x,y)表示图像中像素点的坐标，X和Y表示待配图像的最大横纵坐标值，则模型形式如下：

其中Φ表示控制点，其中第(i,j)控制点记为Φ_i,j，δ_x，δ_y分别表示为坐标轴方向的网格间距。

其中，

表示取整运算，B样条基函数分别为：

优选地，首先将两相机拍摄画面进行图片配准，将两个相机拍摄到的画面转化到同一坐标系下，再根据两画面中重叠区域的温度求取温度系数，所求得的温度系数k_i,0，b_i,0以及向量a₀作为优化问题的初值，能够提升求解精度。其中，下标0表示初值，i表示第i个温度范围。

具体过程为：对两个相机拍摄的图像分别进行特征提取，包括边缘、角点、闭区域的中心等，并根据特征的相似性，将两个图像中的特征进行匹配，选取出N组符合预设要求的特征点，并提取出特征点的坐标。在确定空间几何变换关系f的形式的基础上，利用特征点坐标求解向量a₀完成配准，完成配准后的两个图像在同一坐标系下。因此，监视相机拍摄的图像与测温相机拍摄的图像重叠的区域的每个像素点都能够获得对应的温度。通过划定不同的温度范围，在同一温度范围内的图像利用回归分析求解出温度系数k_i,0，b_i,0，i＝1,2,…,n。

最后将温度系数k_i,0，b_i,0以及向量a₀作为优化问题的初值，并限定优化问题的可行域为k_i,0，b_i,0以及向量a₀的邻域之内求解优化问题，从而获得温度与两基色强度之间的关系曲线。

所述监视相机为普通数字相机，所述测温相机为热像仪或已标定的数字相机。

优选地，步骤(3)中，选取实际强度和基色灰度值线性度更好的两基色获得的关系曲线，所计算的温度与实际温度更接近，效果更佳。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的测量方法可以使用监视相机对火焰温度进行实时标定，在线获取火焰的真实温度，而不干扰测温相机的运行，实验操作简单，避免了离线标定监视相机和对设备的改造。

附图说明

图1为本发明的实验装置结构示意图，其中1为火焰，2为监视相机，3为测温相机，4为计算机。

图2为本发明的实现过程流程示意图。

图3为图像配准原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本领域技术人员在理解本发明的技术方案基础上进行修改或等同替换，而未脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围内。

实施例

如图1所示，本发明的实验装置包括火焰1、监视相机2、测温相机3和计算机4，监视相机2为华为荣耀10手机相机，将相机调至专业PRO模式，设定测光模式为点测光，白平衡模式选择为晴天，曝光补偿设为0，设定感光度和快门速度为手动模式，并调节其值，使得火焰纹理细节清晰，保证光强度与RGB基色灰度值的线性度；测温相机3为热像仪。

实时在线火焰温度测定方法的具体过程如图2所示：将监视相机2放置在测温相机3附近，镜头朝向相同，对火焰1同时进行拍摄，计算机4控制监视相机2和测温相机的拍摄，获取拍摄画面。

实时读取监视相机2和测温相机3的画面，将同一时刻的两个画面数据导出，并读取出测温相机3对应的温度数据。监视相机2拍摄画面中坐标为(x,y)位置处的火焰估计温度

与两基色强度比值的关系用如下公式表示：

其中，r为任意两基色强度值的比例，例如r＝R/G或r＝B/G，k和b为温度系数。

监视相机2拍摄画面中坐标为(x,y)位置处火焰的真实温度T(x,y)为测温相机拍摄画面(x',y')位置处火焰的温度，用如下公式表示：T(x,y)＝T′(x′,y′)；

然后，对两画面进行图像配准，依据如图3所示，先将两相机所取得画面进行特征提取，这里提取ORB特征，再进行特征匹配，这里通过特征之间的汉明距离判断特征之间的相似度进行特征匹配，取距离最近的10组特征，提取出它们在两个画面中对应的坐标(x',y')与(x,y)，然后进行空间变换模型的参数向量a₀的估计。这里选取投影变换为空间变换模型，则(x′,y′)＝f(x,y)可以表示为：

则向量a表示为：

a＝[a₁₁,a₁₂,a₁₃,a₂₁,a₂₂,a₂₃,a₃₁,a₃₂,a₃₃]

其中，a₁₁、a₁₂、a₁₃、a₂₁、a₂₂、a₂₃、a₃₁、a₃₂、a₃₃为投影变换中的9个特征参数，且其中a₃₃＝1。最后使用RANSAC算法对向量a的进行拟合，所求得结果记为向量a₀，完成图像配准。

完成图像配准后，两相机拍摄画面转换为同一坐标系，即监视相机2拍摄火焰画面的每个像素点能够测温相机3拍摄画面中找到对应，并获得对应的温度，再采用回归的办法求出对应像素点的温度系数k和b。

由于R和G的线性度更高，选取r＝R/G，再根据lnr∈[-0.005,0.03]，将其分成均匀的5个段，拟合获得相应的5组k_i,0，b_i,0。将所获得的向量a₀，k_i,0和b_i,0作为优化问题的初值，代入具体优化问题形式

进行求解。采用遗传算法进行求解，不断更新空间变换参数和温度系数以满足设定的最优性条件。最终获得温度与两基色强度之间的关系曲线，通过计算机4的计算，可以实时显示火焰1的二维温度场。

Claims (9)

1.一种基于普通数字相机的实时在线火焰温度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)拍摄火焰：用监视相机和测温相机同时对火焰拍摄；

(2)获取火焰温度与两基色强度比值的关系曲线：通过求解优化将测温相机的图像与监视相机的图像通过空间几何变换关系转化到同一坐标系下，得到火焰温度与监视相机图像中R、G、B通道所记录的强度比值之间的关系曲线，具体优化问题形式如下：

其中，

为监视相机拍摄画面中坐标为(x,y)位置处火焰的估计温度；T(x,y)为监视相机拍摄画面中坐标为(x,y)位置处火焰的真实温度；S表示监控相机拍摄的画面区域；

(3)温度获取：实时读取监视相机拍摄图像，任意选取两基色灰度值计算强度比值，根据步骤(2)获得的温度与两基色强度之间的关系曲线，获得火焰的温度。

2.根据权利要求1所述的基于普通数字相机的实时在线火焰温度测量方法，其特征在于，监视相机拍摄画面中坐标为(x,y)位置处火焰的估计温度

与两基色强度比值的关系用如下公式表示：

其中，r为任意两基色强度值的比例，例如r＝R/G或r＝B/G，k和b为温度系数。

3.根据权利要求2所述的基于普通数字相机的实时在线火焰温度测量方法，其特征在于，根据r的范围将r分成n段，分别对应n个温度段，其中第i个温度段中估计温度

用如下公式表示：

其中，k_i和b_i为第i个温度段的温度系数；

则优化问题形式为：

其中，

为监视相机拍摄画面中第i个温度段内坐标为(x,y)位置处火焰的估计温度；T(x,y)为监视相机拍摄画面中坐标为(x,y)位置处火焰的真实温度；S_i表示第i个温度段对应的像素所在的区域。

4.根据权利要求1所述的基于普通数字相机的实时在线火焰温度测量方法，其特征在于，监视相机拍摄画面中坐标为(x,y)位置处的火焰的真实温度T(x,y)为测温相机拍摄画面(x',y')位置处火焰的温度，用如下公式表示：T(x,y)＝T′(x′,y′)；

其中，(x',y')由(x,y)通过空间几何变换得到，具体表示为(x′,y′)＝f(x,y)，f为(x,y)转化为(x',y')的函数形式，f通过选择空间几何变换模型确定。

5.根据权利要求4所述的基于普通数字相机的实时在线火焰温度测量方法，其特征在于，所述空间几何变换模型包括：刚体变换、仿射变换、投影变换或非线性变换。

6.根据权利要求4所述的基于普通数字相机的实时在线火焰温度测量方法，其特征在于，当监视相机和测温相机与目标物体距离不相同时，所述空间几何变换模型为投影变换。

7.根据权利要求4所述的基于普通数字相机的实时在线火焰温度测量方法，其特征在于，当两相机位置相近，拍摄角度相近，所述空间几何变换模型为仿射变换。

8.根据权利要求4所述的基于普通数字相机的实时在线火焰温度测量方法，其特征在于，当两相机拍摄画面具有全局变形性，所述空间几何变换模型为非线性变换。

9.根据权利要求1所述的基于普通数字相机的实时在线火焰温度测量方法，其特征在于，所述监视相机为普通数字相机，所述测温相机为热像仪或已标定的数字相机。

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