CN110186566B - 基于光场相机多谱测温的二维真实温度场成像方法及*** - Google Patents

基于光场相机多谱测温的二维真实温度场成像方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种温度测量技术领域内的基于光场相机多谱测温的二维真实温度场成像方法及***，包括：步骤S1，标定光场相机多光谱测温***，获得相机输出信号强度与标准温度之间的对应关系；步骤S2，将高温部件成像，采集光场相机宏像素多光谱图像；步骤S3，解耦光场相机宏像素多光谱图像；步骤S4，逐个解算宏像素多光谱图像对应的真实温度，获取初始的二维真实温度场图像，标记为初始图像t；步骤S5，采用导向滤波法对图像t进行滤波处理，得到优化的二维真实温度场图像，标记为优化图像t0。本发明提高了二维温度场解算精度，推动了多光谱辐射测温技术发展。

Description

基于光场相机多谱测温的二维真实温度场成像方法及***
技术领域
本发明属于温度测量技术领域，特别涉及一种基于光场相机多谱测温的二维真实温度场成像方法及***。
背景技术
目前，高温部件的测温方式可分为接触式测温与非接触式测温。其中，非接触式测温具有对被测物体无影响、动态响应好、输出信号较大、测量精度较高、测量的范围较宽等优点而备受关注，非接触式测温主要以辐射测温方法为主，包括亮度测温法、比色测温法以及多光谱辐射测温法等。
其中，多光谱测温方法通过测量多个波长(几个到几十个不等)的辐射亮度，根据发射率解算目标真温，在辐射测温领域应用较为广泛。传统多光谱高温计一般为点测量或者测量区域较小，难以能获得被测物表面整体二维温度场，无法避免被测物局部误差。在飞行器、涡轮机叶片以及其他高温部件表面温度测量时，为获得高温部件表面二维温度场，避免局部误差，更加清晰准确的评估高温部件整体工作状态，研究人员提出了基于面阵CCD(Charge-coupled Device)测温的光学***及其适用算法。
近些年，随着计算机视觉领域软硬件的飞速发展，国内外关于面阵CCD辐射测温方法的研究取得了较大进步。但是目前一块彩色感光芯片最多只能采集三个波段(RGB)的多光谱，若实现更多光谱图像采集需要采用相机阵列或者多路分光的方式，其光学采集***仍会非常复杂，难以实用，构建适当的多光谱成像***仍是困扰该领域的重要问题。
为解决上述问题，研究人员采用光场相机多光谱成像***采集多光谱图像，用来解算二维真实温度场，但是目前得到的最终二维真实温度场精度较低。
经现有技术检索，中国发明专利号为CN201710021578.9，发明名称为一种多光谱光场成像方法，采用的硬件包括：沿光路方向顺次设置宽带滤波片阵列、异构相机阵列、控制板阵列和信息联合处理装置。成像方法为：在异构相机阵列的每个相机镜头和传感器中间放置不同波长的宽带滤波片，使得相机阵列中的每个相机接收固定波段的光谱信息；通过信息联合处理装置对相机阵列获取的多路信息进行基于卷积神经网络的立体匹配以获取入射光线的角度信息，得到全视场范围内的光场信息；根据相机之间的分布位置进行相机校准和视场对齐，通过光谱解复用获取相机阵列中任一相机视角下三倍于相机个数的多波段光谱信息。该发明对二维温度场的解算精度较低。
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基于光场相机多谱测温的二维真实温度场成像方法及***。考虑光场相机成像特点，提出基于拉格朗日乘子法的真实温度计算方法，同时采用导向滤波优化二维温度场，解决光场相机多光谱测温的核心问题，推动多光谱辐射测温技术发展。
根据本发明提供的一种基于光场相机多谱测温的二维真实温度场成像方法，包括如下步骤：
S1，标定光场相机多光谱测温***，获得相机输出信号强度与标准温度之间的对应关系；
S2，将高温部件成像，采集光场相机宏像素多光谱图像；
S3，解耦光场相机宏像素多光谱图像；
S4，逐个解算宏像素多光谱图像对应的真实温度，获取初始的二维真实温度场图像，标记为初始图像t；
S5，采用导向滤波法对图像t进行滤波处理，得到优化的二维真实温度场图像，标记为优化图像t0。
一些实施例中，所述步骤S4中，采用拉格朗日乘子法逐个解算宏像素多光谱图像对应的真实温度。
一些实施例中，所述步骤S5中通过导向滤波法优化初始化图像t的步骤包括：
步骤A：由高温部件图像v生成导向图像I；
步骤B：求解导向图像I；
步骤C：以I为导向图像，对温度图像t进行滤波，得到优化温度场图像t0。
一些实施例中，所述步骤A中，高温部件图像v是利用光场相机多视角图像解耦方法，从宏像素图像中提取相同相对位置的像素，得到中心波长λC下高温部件图像v。
一些实施例中，所述步骤B中，采用岭回归求解目标所对应的参数。
一些实施例中，步骤C中通过下式得到优化温度场图像t0：
Figure BDA0002078985320000031
其中，Wij(I)表示由导向图像I确定的加权平均运算中的权值，tj是图像t中第j个像素灰度值。
一种基于光场相机多谱测温的二维真实温度场成像***，采用基于光场相机多谱测温的二维真实温度场成像方法，包括初始图像生成模块与优化初始图像模块；
所述初始图像生成模块包括标定模块、采集模块、解耦模块与真实温度测量模块，所述标定模块将相机输出信号强度与标准温度之间对应后，所述采集模块通过成像的高温部件采集光场相机宏像素多光谱图像，所述解耦模块对所述宏像素多光谱图像进行解耦处理，将多光谱二维图像数据转化为单维度多光谱数据，所述真实温度测量模块通过将单维度多光谱数据转化为宏像素多光谱图像所对应的真实温度后，获得初始二维真实温度场图像t；
所述优化初始图像模块采用导向滤波的方式对初始二维真实温度场图像进行处理，获得优化的二维真实温度场图像t0。
一些实施例中，所述真实温度测量模块通过拉格朗日乘子法将单维度多光谱数据转化为宏像素多光谱图像所对应的真实温度。
一些实施例中，所述优化初始图像模块采用的导向滤波的方式中，首先由高温部件图像v生成导向图像I，其次求解所述导向图像I，最后以导向图像I对温度图像t进行滤波，得到优化的温度场图像t0。
一些实施例中，所述导向图像I是利用光场相机多视角图像解耦方法，从宏像素图像中提取相同相对位置的像素，得到中心波长λC下高温部件图像v，并由图像v生成导向图像I。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明考虑光场相机成像特点，提出基于拉格朗日乘子法的真实温度计算方法，同时采用导向滤波优化二维温度场，提高了二维温度场解算精度，推动了多光谱辐射测温技术发展。
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本发明的基本流程图；
图2本发明的光场相机多光谱测温***工作原理示意图；
图3本发明中光场相机多光谱图像示意图。
图4本发明中光场多光谱图像解耦过程示意图。
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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
本发明专利的基本操作流程如附图1所示，采用的多光谱成像***基本构架如图2所示。
利用黑体炉或者钨丝灯对光场相机多光谱测温***进行标定，获得相机输出信号强度与标准温度之间对应关系；其次，对高温部件成像，采集光场相机多光谱图像，其原始图像示意图如附图3所示。然后，根据光场相机多视角图像解耦方法，解耦光场相机多光谱图像，将多光谱二维图像数据转化为单维度多光谱数据，解耦过程如附图4所示。
在完成光场相机多光谱图像解算之后，依托多光谱辐射测温理论，采用拉格朗日乘子法解算真实温度，具体为：
首先，构造目标函数。依据多光谱辐射测温理论，当有n个波段时，第i个通道的输出信号强度Vi可记为：
Figure BDA0002078985320000041
其中，
Figure BDA0002078985320000045
为校准系数，其数值大小为传感器灵敏系数、吸收系数以及第一辐射恒定常数的乘积；ε(λi，T)是目标真实温度T的光谱发射率；e表示自然常数，C2为第二辐射常数；λi为第i个通道的有效波长；T是目标的真实温度。
依据标定数据，当参考温度为T′时，由(1)式可得，第i个通道的输出信号强度Vi′为(一般情况下
Figure BDA0002078985320000042
则
Figure BDA0002078985320000043
)：
Figure BDA0002078985320000044
将(1)(2)式相除取对数并整理得：
Figure BDA0002078985320000051
当ε(λi，T)已知时，单个光谱通道的亮度温度Ti应该等于真实温度T，即：
Figure BDA0002078985320000052
其中E表示期望；
由此可构造目标函数：
Figure BDA0002078985320000053
令
Figure BDA0002078985320000054
xi＝lnε(λi，T)，则可由式(3)求出，
Figure BDA0002078985320000055
则
Figure BDA0002078985320000059
Figure BDA0002078985320000056
其次，构造约束条件。由于发射率0＜ε(λi，T)＜1，因此xi＜0，即得不等式约束条件。
最后，构造拉格朗日函数并求解。构造拉格朗日函数：
Figure BDA0002078985320000057
式中x＝[x1，x2…xn]T为自变量，γ＝[γ1，γ2…γn]T为拉格朗日乘子量，σ＝[σ1，σ2…σn]T为松弛变量。
则L(x，γ，σ)在x0处取极值的必要条件为：
Figure BDA0002078985320000058
其中L为L(x，γ，σ)，依据上式求得x0即为最优解，进而可以计算真实温度。采用同样的方式依次可以计算得到每一个宏像素多光谱图像所对应的真实温度，得到二维真实温度场图像t。
随后，根据光场相机成像采样特点，采用导向滤波对二维温度场进行优化处理，具体过程为：
首先，利用光场相机多视角图像解耦方法，从宏像素图像中提取相同相对位置的像素，得到中心波长λC下高温部件图像v，并由图像v生成导向图像I。
其次，求解导向图像I。由于导向图像I与高温部件图像v在一个二维窗口内是局部线性模型，假设ak和bk是当窗口中心位于k时该线性函数的系数，则vi＝akIi+bk，其中vi是图像v中第i个像素灰度值，Ii是图像I中第i个像素灰度值。采用岭回归求解目标所对应的参数ak和bk：
Figure BDA0002078985320000061
其中，ωk为以像素k为中心的像素窗口，∈为正则化项系数。
最后，以I为导向图像，对温度图像t进行滤波，得到优化温度场图像t0：
Figure BDA0002078985320000062
其中，Wij(I)表示由引导图像I确定的加权平均运算中的权值，tj是图像t中第j个像素灰度值。这样便可得到导向滤波后的二维温度场，最终得到优化后的二维真实温度场图像。
实施例2
如图1-4所示，本发明还提供了一种基于光场相机多谱测温的二维真实温度场成像***，采用实施例1中所述的基于光场相机多谱测温的二维真实温度场成像方法，包括初始图像生成模块与优化初始图像模块；
所述初始图像生成模块包括标定模块、采集模块、解耦模块与真实温度测量模块，所述标定模块将相机输出信号强度与标准温度之间对应后，所述采集模块通过成像的高温部件采集光场相机宏像素多光谱图像，所述解耦模块对所述宏像素多光谱图像进行解耦处理，将多光谱二维图像数据转化为单维度多光谱数据，所述真实温度测量模块通过将单维度多光谱数据转化为宏像素多光谱图像所对应的真实温度后，获得初始二维真实温度场图像t；
所述优化初始图像模块采用导向滤波的方式对初始二维真实温度场图像进行处理，获得优化的二维真实温度场图像t0。
真实温度测量模块通过拉格朗日乘子法将单维度多光谱数据转化为宏像素多光谱图像所对应的真实温度，其具体步骤与实施例1中的转化过程形同，在此不再赘述。
所述优化初始图像模块采用的导向滤波的方式中，首先由高温部件图像v生成导向图像I，其次求解所述导向图像I，最后以导向图像I对温度图像t进行滤波，得到优化的温度场图像t0。
本实施例2中的相应的求解过程与实施例1一致，在此不再赘述。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的***、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的***、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的***、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

Claims (9)

1.一种基于光场相机多谱测温的二维真实温度场成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，标定光场相机多光谱测温***，获得相机输出信号强度与标准温度之间的对应关系；
S2，将高温部件成像，采集光场相机宏像素多光谱图像；
S3，解耦光场相机宏像素多光谱图像；
S4，逐个解算宏像素多光谱图像对应的真实温度，获取初始的二维真实温度场图像，标记为初始图像t；
S5，采用导向滤波法对图像t进行滤波处理，得到优化的二维真实温度场图像，标记为优化图像t0；
所述步骤S4中，采用拉格朗日乘子法逐个解算宏像素多光谱图像对应的真实温度。
2.根据权利要求1所述的基于光场相机多谱测温的二维真实温度场成像方法，其特征在于，所述步骤S5中通过导向滤波法优化初始化图像t的步骤包括：
步骤A：由高温部件图像v生成导向图像I；
步骤B：求解导向图像I；
步骤C：以I为导向图像，对温度图像t进行滤波，得到优化温度场图像t0。
3.根据权利要求2所述的基于光场相机多谱测温的二维真实温度场成像方法，其特征在于，所述步骤A中，高温部件图像v是利用光场相机多视角图像解耦方法，从宏像素图像中提取相同相对位置的像素，得到中心波长λC下高温部件图像v。
4.根据权利要求2所述的基于光场相机多谱测温的二维真实温度场成像方法，其特征在于，所述步骤B中，采用岭回归求解目标所对应的参数。
5.根据权利要求2所述的基于光场相机多谱测温的二维真实温度场成像方法，其特征在于，步骤C中通过下式得到优化温度场图像t0：
Figure FDA0002531516750000011
其中，Wij(I)表示由导向图像I确定的加权平均运算中的权值，tj是图像t中第j个像素灰度值。
6.一种基于光场相机多谱测温的二维真实温度场成像***，其特征在于，采用权利要求1-5任一所述的基于光场相机多谱测温的二维真实温度场成像方法，包括初始图像生成模块与优化初始图像模块；
所述初始图像生成模块包括标定模块、采集模块、解耦模块与真实温度测量模块，所述标定模块将相机输出信号强度与标准温度之间对应后，所述采集模块通过成像的高温部件采集光场相机宏像素多光谱图像，所述解耦模块对所述宏像素多光谱图像进行解耦处理，将多光谱二维图像数据转化为单维度多光谱数据，所述真实温度测量模块通过将单维度多光谱数据转化为宏像素多光谱图像所对应的真实温度后，获得初始二维真实温度场图像t；
所述优化初始图像模块采用导向滤波的方式对初始二维真实温度场图像进行处理，获得优化的二维真实温度场图像t0。
7.根据权利要求6所述的基于光场相机多谱测温的二维真实温度场成像***，其特征在于，所述真实温度测量模块通过拉格朗日乘子法将单维度多光谱数据转化为宏像素多光谱图像所对应的真实温度。
8.根据权利要求6所述的基于光场相机多谱测温的二维真实温度场成像***，其特征在于，所述优化初始图像模块采用的导向滤波的方式中，首先由高温部件图像v生成导向图像I，其次求解所述导向图像I，最后以导向图像I对温度图像t进行滤波，得到优化的温度场图像t0。
9.根据权利要求8所述的基于光场相机多谱测温的二维真实温度场成像***，其特征在于，所述导向图像I是利用光场相机多视角图像解耦方法，从宏像素图像中提取相同相对位置的像素，得到中心波长λC下高温部件图像v，并由图像v生成导向图像I。
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