JPH0526734A

JPH0526734A - 温度画像測定法および装置

Info

Publication number: JPH0526734A
Application number: JP3203325A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Murakami; 聖彦村上; Masaharu Tateyama; 正治立山; Jiro Ono; 二郎大野; Masahiro Sekiya; 政洋関屋; Yoshiyuki Shirakawa; 芳幸白川
Original assignee: Tokai Carbon Co Ltd; Nippon Steel Corp
Current assignee: Tokai Carbon Co Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 1991-07-19
Filing date: 1991-07-19
Publication date: 1993-02-02
Anticipated expiration: 2013-06-04
Also published as: JP2762321B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高精度の温度画像を測定して、低温度から高
温度に至る広い温度域で正確に温度測定することができ
る温度画像測定法と装置を提供する。【構成】デイジタル方式で二次元を熱画像を温度画像
に変換する温度画像処理システムにおいて、原信号に正
規化されたノイズを重畳させた後に温度画像に変換し、
該温度画像を重ね合わせて平均化するか、空間フィルタ
リングして平均化することによりＡＤ変換時の量子化誤
差を低減化させる温度画像測定法。装置としての特徴
は、ＣＣＤカメラ１と、カメラコントローラおよびアン
プ２と、ノイズ重畳回路手段、ＡＤ変換器および画像平
均化処理手段または空間フィルタ回路手段を内蔵する画
像処理装置３を主体として構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、温度画像測定時に量子
化誤差を低減させて常に高精度の温度測定をおこなうこ
とができる温度画像測定法およびその測定に用いる温度
画像測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】二次元温度画像は、人体の診断、電子機
器の欠陥検査、熱プラントの故障診断等に広く応用され
ている。デイジタル方式を用いた二次元温度画像測定装
置は、物体が放射する熱エネルギーの分布をＣＣＤ素子
や撮像管などにより熱画像として測定し、該熱画像をＡ
Ｄ変換器(ADC) を介してデジタル信号に変換してデジタ
ル温度画像に転化する機構となっている。近年発達の著
しいＣＣＤ素子を用いた温度画像測定システムを例にと
ると、約 500点× 500点の画素を有する素子で1/30秒毎
に熱画像を測定し、８ビット(256区分) のＡＤＣでデイ
ジタル化し、温度換算表を参照して温度画像に変換する
システムとなる。

【０００３】ところが、上記の温度画像測定において温
度測定レンジを 900〜1600℃に設定して８ビットでＡＤ
変換すると、低温度域では変換時に50〜60℃といった大
きな変換誤差を生じてしまい、ＣＣＤのもつ温度分解能
よりもかに低い精度の測定結果しか得られないことに
なる。このような変換誤差は、一般に量子化誤差と呼ば
れ、デイジタル画像処理における基本的な解決課題とさ
れている。

【０００４】通常、ＡＤ変換の精度を向上させるために
はＡＤＣの分解能を高める手段が採られる。例えば、同
じＣＣＤを用いても、熱画像を測定した後に12ビットの
ＡＤＣでデイジタル画像に変換すると変換区分は4096と
なり、温度変換精度は16倍に向上する。しかしながら、
ＡＤＣを12ビットにすることは、画像メモリが16倍とな
って演算回路の複雑化するため、演算時間が著しく長く
なり、また画像処理装置の価格も大幅に高くなる。この
ため、この種の高精度画像信号処理装置は特殊な測定対
象を除いては一般に使用されていないのが現状である。

【０００５】一般の画像処理においては、原信号にノイ
ズを重畳させて量子化誤差を減少させる方法がテレビ映
像をデイジタル化する際の「ディザ法」として広く知ら
れている。また、画像信号を種々の空間フィルタを用い
てノイズを除去したり、特徴抽出する等の手法は、画像
処理では一般的におこなわれている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このうち、ディザ法は
図10の構成説明図に示すように、入力信号にある規則に
より作成したディザ信号（雑音）を加えて一定しきい値
回路により２値化することにより誤差減少を図る方式で
ある。一方、空間フィルタを用いてノイズ除去するシス
テム操作は、図11により次のように説明される。荷重マ
トリックスＷ(k,l) の中心が入力画像ｆ(m,n) のある点
(i,j) に一致するように重ね、重なったｆ(m,n) の部分
画像で各対応する位置における要素毎の積を求め、それ
らの和を主力画像ｇ(m,n) 中の点(i,j) における値とす
る。この操作を荷重マトリックスの位置を１画素ずつず
らせながら、それぞれの位置で前記操作をおこなう。

【０００７】しかしながら、これら従来のディザ法およ
び空間フィルタリング法を応用し、これらを組み合わせ
て温度画像測定における量子化誤差の低減化を図ろうと
する試みはなされていない。

【０００８】本発明の目的は、ディザ法ならびに空間フ
ィルタリングの技術を複合させて通常の温度画像処理シ
ステムに利用し、常に高精度の温度測定をすることがで
きる温度画像測定法とその装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による温度画像測定法は、デイジタル方式で
二次元の熱画像を温度画像に変換する温度画像処理シス
テムにおいて、原信号にノイズを重畳させた後に温度画
像に変換し、生成した温度画像を重ね合わせて平均化す
るか、該温度画像を局所平均化することによりＡＤ変換
時の量子化誤差を低減化させることを構成上の特徴とす
る。

【００１０】具体的には、上記構成において熱画像素子
であるＣＣＤ素子または撮像管で測定される電気信号に
正規化ノイズを重畳し、ついで温度変換表で温度画像に
変換された信号を複数フレームの温度画像を重ね合わせ
るか、温度画像に変換された信号を空間フィルタリング
して平均化処理を施すことが本発明の好適なプロセスと
なる。

【００１１】表１は、代表的な温度換算表の一部を示し
たものである。

【００１２】

【表１】

【００１３】表１の第１欄はビット順序で、ＣＣＤ素子
で測定した輝度信号が８ビットのＡＤ変換器により０〜
255 の値に変換されている。第２欄はＣＣＤ出力電圧値
(mV)で、ＡＤ変換器への入力信号である。最後の第３欄
が温度換算値（℃）である。該表１から判るように、例
えば１ビット目の輝度信号における5.3mV に対応する温
度は891 ℃であり、２ビット目の輝度信号における10.5
mVに対応する温度は955 ℃であって、その間の温度は識
別できない。したがって、低温度域では最大64℃の量子
化誤差が生じる可能性がある。

【００１４】本発明による誤差低減化は、図１のフロー
で示されるように入力信号ｓ(t) にノイズｎ(t) を重畳
した後にＡＤ変換をおこない、輝度信号を温度変換表に
より温度に変換し、さらに平均化処理をおこなって出力
信号θ(t) とするプロセスでおこなわれる。この際、入
力信号に印加するノイズは振幅ｐ(n) が下記 (1)式のよ
うに平均値ｘ₀、標準偏差値σの正規分布をなしてい
る。ｐ(n) ＝ 1／（√ 2πσ) ×exp(−（ｘ−ｘ₀)²/ 2σ²) … (1)

【００１５】上(1) 式のσは、下記の (2)式で示すよう
にＡＤ変換のステップ幅で規格化している。該(2) 式に
おいて、ΔｓはＡＤ変換のステップ幅を表し、表１の場
合には約５mvである。 σ＝（∫ｘ²×ｎ(t)dt/∫ｎ(t)dt)／Δｓ≒ 0.5〜1.0 … (2)

【００１６】図２および図３は、このようにノイズ重畳
した場合の量子化誤差の変化を示したものである。この
うち、図２は輝度信号に対する温度変換値の変換曲線
で、階段状のパターンとなる。図３は、この換算表を用
いて図２のプロセスに従ってノイズを重畳した際の温度
変換状態を図示したものである。この場合には、パラメ
ータになっているσが 0.5を越えると、出力信号θ(t)
は滑らかな曲線となる。

【００１７】表２は、対象温度に対応する入力電圧（輝
度信号に相当）とσを変えた場合の温度誤差を示したも
のである。σが 0.5未満であると誤差が大きくなり、こ
れ以上で誤差が減少している。このようにσが大きくな
ると誤差が減少する理由は、入力電力の平均値ｘ₀前後
のビット値が加算平均されるためであるが、σが余りに
大きくなると当然に画質が低下するので、ＡＤ変換のス
テップ幅内に抑えることが好ましい。したがって、σの
範囲は温度変換のステップ幅を基準にとって、0.5〜1.0
の範囲に制御することが好適である。

【００１８】

【表２】

【００１９】温度画像を平均化する処理には、時間的平
均化または空間的平均化のいずれかの方法が用いられ
る。このうち、時間的平均化のフロー例は図４によって
示すことができる。通常の画像計測においてはテレビと
同様に二次元の走査線方式によって画像を生成するが、
図４では走査信号が入力信号ｓ(t) になる。これにノイ
ズｎ(t) を重畳し、ＡＤ変換と温度変換をおこなった後
にフレームメモリ１において画像を生成する。画像はΔ
t 間隔（テレビでは1/30秒間隔) で生成される。この画
像を、Δt だけ遅らせて一定の荷重係数w を掛けて別の
フレームメモリ２にファイルする。Δt だけ遅らせる演
算をｚ^-1で示すと、フレームメモリ２には次の関係式
(3) で加算された過去の画像Isがファイルされている。

【００２０】

【００２１】過去の加算画像Isに現在の画像 I｛ mΔt
｝を加えることが時間平均をおこなったことになる。
荷重係数は平均する時間によって決められ、小さい値の
場合には長い平均時間で、また大きい値の場合には短い
平均時間となる。なお、この方法は動画像の処理には適
切ではない。例えば、100 フレームの画像の時間平均を
とる場合には1/30秒で測定される画面を 100枚加算しな
ければならないため、3.3 秒(100×1/30) が必要になる
からである。しかし、測定対象の時間的な変化が緩慢で
あれば、適応が可能である。

【００２２】空間的平均化に用いられる処理は、図11に
示したような空間フィルタリングである。各々の画像に
生じるノイズが相互に関係なければ、時間的平均と空間
平均は等しくなる。局所フィルタリングのフロー例は図
５のようになるが、この場合には荷重マトリックスの選
択が重要となる。本発明の目的には、荷重マトリックス
として10×10程度のサイズを用い、単純な積和によるフ
ィルタリングが適当である。フィルタリングは、全画素
に対して逐次マトリックスを掛けて加算し、平均値を算
出する。

【００２３】荷重マトリックスの例 (11×11) を図６に
示す。本例では荷重マトリックスの1/4 を部分拡大して
示しているが、他の部分も同じである。このほかに、マ
トリックス単位で画面を分割し、一つのマトリックスに
対して一点の代表温度を割り付けるように演算する例も
あり、この場合には画質は低下するが画素が大幅に圧縮
されて演算速度が向上する利点がある。

【００２４】図７は、空間フィルタリングをデイジタル
信号処理回路で実現した例のブロック回路図で、#2(i＝
2)から#11(i ＝11) までの回路構成は#1(i＝1)と同一で
ある。入力信号は、単位時間だけ遅らせて（ｚ^-1の演
算) 荷重係数ａ_ijを掛けて加算し、また、走査線間の演
算をおこなうために入力信号はｚ^-jだけ遅らせて加算す
る。この回路の場合には、11×11画素の積和演算が20ms
ecで実行できるので、通常のリアルタイム演算である1/
30秒の演算をおこなう回路に用いることが可能である。

【００２５】上記の温度画像測定法に用いるための本発
明による温度画像測定装置は、図８に示すように熱画像
検出子を内蔵するＣＣＤカメラ１と、カメラコントロー
ラおよびアンプ２と、検出信号に正規化ノイズを重畳す
るための回路手段、熱画像信号を温度画像に変換するた
めのＡＤ変換器およびフレームメモリに温度画像を重ね
合わせて画像全体を平均化するための処理回路手段また
は荷重マトリックスを内蔵する空間フィルタ回路手段を
内蔵した画像処理装置３とを主体とし、前記画像処理装
置３をモニター部に接続して構成される。

【００２６】ＣＣＤカメラ１はノズル４内に収納されて
おり、その前段部にはフィルター５およびレンズ６が設
置される。ＣＣＤカメラ１の内蔵される熱画像検出子と
しては、ＣＣＤ素子、撮像管などが適用される。ＣＣＤ
素子には、通常、５mV程度のノイズが存在しているため
そのまま利用できる場合が多いが、変換表の条件によっ
てはノイズの大きさを更に低く抑える必要があるケース
も考えられる。このため、ＣＣＤ素子には電子冷凍素子
を取りつけて冷却することがノイズレベルを低下させる
ために好ましい設計となる。この場合、例えば素子冷却
温度を−20℃に下げると、ノイズは2.5mV まで低下させ
ることが可能となる。

【００２７】

【作用】本発明による温度画像測定法と装置によれば、
原信号にノイズを重畳させた後にＡＤ変換する段階で機
能する第１の誤差低減化作用と、変換後の温度画像を平
均化する段階で機能する第２の誤差低減化作用とが相乗
してＡＤ変換時の量子化誤差を大幅に減少することが可
能となる。したがって、常に高精度の温度画像が測定で
き、広い温度域の範囲で正確は温度測定をすることが保
証される。

【００２８】特に平均化処理に空間フィルタリングを適
用する場合には、ノイズの重畳に基づく画質の低下が抑
えられるのみならず、画面上の細かなノイズを消去する
ことができる副次的な効果がもたらされ一層正確な測定
をおこなうことができる。

【００２９】

【実施例】図９の全体図に示すように、本発明の温度画
像測定装置７を燃焼炉８の炉壁にノズル筒９を介してセ
ットした。装置は計器室10のモニター部とケーブルで接
続しており、パーソナルコンピュータで制御されてい
る。装置に内蔵されているＣＣＤカメラはノイズレベル
が５mVに調整されており、該ノイズレベルは温度換算表
（表１）の１ビットに対応している。また装置内には11
×11サイズの荷重マトリックスを内蔵する空間フィルタ
回路が設置されている。

【００３０】この装置および条件により1000〜1500℃水
準の燃焼温度を画像温度として測定した場合の変換温度
と誤差範囲を表３に示した。なお、同燃焼温度を従来方
式の温度画像測定法により測定した結果を、比較例とし
て表３に併載した。表３の結果を対比すると、比較例に
おいてはＡＤ変換時の量子化誤差が直接現出しており、
低温部(1048 ℃時) では20〜50℃程度の誤差、中温部(1
265 ℃時) でも３〜５℃程度の誤差が生じているのに対
し、実施例の場合には全温度域において正確に温度測定
がおこなわれていることが認められる。また、荷重マト
リックスが適切に選ばれたことにより、温度画像の画質
低下もみられなかった。

【００３１】

【表３】

【００３２】

【発明の効果】以上のとおり、本発明による温度画像測
定法および装置によれば低温域から高温域に至る広い範
囲の温度を常に精度よく正確に測定することができる。
したがって、各種工業分野の測温操作に極めて有用であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による温度画像測定法のフローを示した
ブロック図である。

【図２】輝度信号と温度変換値の関係を例示したグラフ
である。

【図３】入力信号と出力信号の関係を例示したグラフで
ある。

【図４】時間的平均化処理を含む本発明のフローを示し
たブロック図である。

【図５】空間的平均化処理を含む本発明のフローを示し
たブロック図である。

【図６】空間フィルタリングによる荷重マトリックスを
例示した説明図である。

【図７】空間フィルタリングのデイジタル信号処理回路
を示したブロック図である。

【図８】本発明の温度画像測定装置を示した断面略図で
ある。

【図９】実施例による測定状態を示した全体説明図であ
る。

【図10】従来技術によるディザ方式の説明図である。

【図11】従来技術による空間フィルタリング方式の説明
図である。

【符号の説明】

１ＣＣＤカメラ２カメラコントローラおよびアンプ３画像処理装置４ノズル５フィルター６レンズ７温度画像測定装置８燃焼炉９ノズル筒 10 計器室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者関屋政洋千葉県君津市君津１番地新日本製鐵株式会社君津製鐵所内 (72)発明者白川芳幸千葉県君津市君津１番地新日本製鐵株式会社君津製鐵所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】デイジタル方式で二次元の熱画像を温度
画像に変換する温度画像処理システムにおいて、原信号
にノイズを重畳させた後に温度画像に変換し、生成した
温度画像を重ね合わせて平均化するか、該温度画像を局
所平均化することによりＡＤ変換時の量子化誤差を低減
化させることを特徴とする温度画像測定法。
【請求項２】熱画像検出子であるＣＣＤ素子または撮
像管で測定される電気信号に正規化ノイズを重畳し、つ
いで温度変換表で温度画像に変換された信号を複数フレ
ームの温度画像を重ね合わせるか、温度画像に変換され
た信号を空間フィルタリングして平均化処理を施す請求
項１記載の温度画像測定法。
【請求項３】熱画像検出子を内蔵するＣＣＤカメラ
と、カメラコントローラおよびアンプと、検出信号に正
規化ノイズを重畳するための回路手段、熱画像信号を温
度画像に変換するためのＡＤ変換器およびフレームメモ
リに温度画像を重ね合わせて画像全体を平均化するため
の処理回路手段または荷重マトリックスを内蔵する空間
フィルタ回路手段を内蔵した画像処理装置とを主体と
し、前記画像処理装置をモニター部に接続してなる温度
画像測定装置。