基于CCD圖像傳感器的火焰溫度場(chǎng)測(cè)量的研究

郭凱+盧山鷹

摘 要：研究了比色測(cè)溫法的原理，推出了計(jì)算高溫物體溫度場(chǎng)的計(jì)算公式，并運(yùn)用圖像處理技術(shù)得到了高溫物體表面的溫度分布。同時(shí)以酒精燈火焰作為研究對(duì)象，通過(guò)彩色CCD工業(yè)相機(jī)和圖像采集卡設(shè)置圖像的各種參數(shù)，將火焰的數(shù)字圖像采集到計(jì)算機(jī)，在對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理后計(jì)算出火焰圖像的溫度場(chǎng)，最終生成了相應(yīng)的等溫線。

關(guān)鍵詞：比色測(cè)溫；圖像處理；溫度場(chǎng)；等溫線

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2014）03-0033-03

0 引 言

溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的重要參數(shù)，能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地檢測(cè)溫度是減少資源浪費(fèi)以及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段?；贑CD圖像傳感器的測(cè)溫技術(shù)是綜合利用圖像檢測(cè)技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)和輻射測(cè)溫技術(shù)的新型測(cè)溫技術(shù)，具有費(fèi)用低廉、精度較高、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠測(cè)量出整個(gè)高溫物體表面的溫度場(chǎng)，穩(wěn)定性也相當(dāng)好，可廣泛應(yīng)用于熱電站、金屬焊接、水泥窯爐、玻璃窯爐及某些冶金爐等場(chǎng)合，其應(yīng)用前景十分廣闊[1]。本文在研究比色測(cè)溫法的原理以及對(duì)高溫物體表面溫度計(jì)算公式推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，利用酒精燈火焰作為研究對(duì)象，構(gòu)建了測(cè)溫系統(tǒng)的模型，編寫(xiě)測(cè)溫軟件得到酒精燈火焰的溫度場(chǎng)分布，并畫(huà)出相應(yīng)的等溫線。

1 測(cè)溫的基本原理和方法

1.1 熱輻射測(cè)溫原理

熱輻射是由于物體具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象，這種電磁波是由物體內(nèi)部微觀粒子在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)所激發(fā)出來(lái)的。一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都能發(fā)射出電磁波，從而產(chǎn)生熱輻射[2]。根據(jù)普朗克定律和維恩位移定律，當(dāng)物體的輻射波長(zhǎng)很小時(shí)，非黑體的輻射亮度和波長(zhǎng)之間的關(guān)系可以用維恩公式表示為：

（1）

式中，λ為物體的輻射波長(zhǎng)，T為物體的溫度，ε（λ，T）為非黑體的發(fā)射率，C1為第一輻射常數(shù)，C2為第二輻射常數(shù)。從維恩公式可以看出，輻射體的光譜輻射亮度是波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)。

1.2 基于CCD傳感器的比色測(cè)溫法

比色測(cè)溫法根據(jù)物體在兩個(gè)波長(zhǎng)的光譜輻射亮度的比值與被測(cè)溫度之間的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)公式變換和推導(dǎo)來(lái)計(jì)算出溫度值?；鹧娴牟噬珗D像在計(jì)算機(jī)內(nèi)，以像素為單位逐點(diǎn)存儲(chǔ)，每一像素點(diǎn)存儲(chǔ)的信息量都包括了該像素點(diǎn)的亮度值RGB三基色分量[3]。而彩色CCD三基色的通道輸出值與輻射體的單色輻射亮度在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系，若保持CCD傳感器工作于線性區(qū)，對(duì)CCD光譜響應(yīng)特性作理想化的單色響應(yīng)假設(shè)，并運(yùn)用積分中值定理，可得：

（2）

該公式中，R、G、B分別為彩色CCD的三通道輸出值，A為CCD的器件響應(yīng)特性參數(shù)，r（λ）、g（λ）、b（λ）分別為彩色CCD的三基色信號(hào)的光譜響應(yīng)特性函數(shù)，Kr、Kg、Kb分別為CCD彩色相機(jī)的三基色通道響應(yīng)系數(shù)。對(duì)公式（2）變形整理，可得到：

（3）

根據(jù)式（1）得到它們輻射亮度比值為：

（4）

那么根據(jù)式（3）、（4）的等號(hào)右邊部分相等，取對(duì)數(shù)變換整理得：

（5）

由于絕大多數(shù)實(shí)際物體的光譜發(fā)射率在較窄的波段范圍內(nèi)變化不大，可以近似認(rèn)為：

[4]

令為CCD器件響應(yīng)系數(shù)，可得到比色測(cè)溫的公式：

（6）

2 構(gòu)建測(cè)溫系統(tǒng)

該測(cè)溫系統(tǒng)由彩色CCD相機(jī)、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)和相應(yīng)計(jì)算軟件組成，基于CCD圖像傳感器的測(cè)溫系統(tǒng)的構(gòu)建框圖如圖1所示。

圖1 CCD測(cè)溫系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)測(cè)量溫度的具體過(guò)程為：彩色CCD相機(jī)通過(guò)USB數(shù)據(jù)線連接到計(jì)算機(jī)上，完成對(duì)高溫輻射體的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程，軟件的圖像采集部分通過(guò)計(jì)算機(jī)上的圖像采集卡對(duì)模擬視頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和A/D（模數(shù)）轉(zhuǎn)換，使其轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號(hào)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)上。測(cè)溫軟件的預(yù)處理和測(cè)溫部分對(duì)采集到的數(shù)字圖像進(jìn)行分析和處理，并完成對(duì)圖像的每個(gè)像素點(diǎn)的溫度的計(jì)算和溫度場(chǎng)的處理，從溫度場(chǎng)中得到溫度的最大最小值、平均溫度以及完成對(duì)等溫線的繪制。

3 測(cè)溫系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件部分主要由圖像采集、圖像預(yù)處理和溫度場(chǎng)計(jì)算3部分組成，測(cè)溫軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖像采集部分完成對(duì)高溫物體的單幀采集、序列幀采集、錄像功能，并能夠通過(guò)數(shù)據(jù)流回調(diào)在界面中實(shí)時(shí)地顯示對(duì)視頻圖像的采集和處理。圖像預(yù)處理包括圖像濾波和圖像分割，圖像濾波用來(lái)排除噪聲的干擾，圖像分割則把圖像中的背景和目標(biāo)體分離出來(lái)[5]。溫度場(chǎng)計(jì)算需要先把目標(biāo)圖像區(qū)域的溫度值計(jì)算出來(lái)形成對(duì)應(yīng)的溫度矩陣，然后對(duì)溫度矩陣進(jìn)行處理，并畫(huà)出等溫線。

圖2 測(cè)溫軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的是根據(jù)CCD相機(jī)拍攝的熱輻射圖像來(lái)計(jì)算溫度場(chǎng)的分布，因此在對(duì)高溫目標(biāo)的數(shù)字圖像進(jìn)行處理時(shí)，應(yīng)避免采用或者盡量減小可能會(huì)引起圖像的色彩信號(hào)失真的數(shù)字圖像處理過(guò)程。首先完成對(duì)圖像采集的設(shè)置，設(shè)置視頻流參數(shù)和圖像的大小，以避免可能導(dǎo)致圖像色彩信號(hào)失真的數(shù)字圖像處理過(guò)程，接著設(shè)置初始化標(biāo)定數(shù)據(jù)，以便帶入測(cè)溫公式進(jìn)行計(jì)算。為排除CCD相機(jī)的各種噪聲干擾，需要對(duì)圖像進(jìn)行噪聲處理，然后需要完成目標(biāo)的區(qū)分而使用圖像分割技術(shù)，將高溫被測(cè)物體與背景分離，將識(shí)別出來(lái)的高溫物體表面的圖像的每一點(diǎn)的像素值提取出來(lái)帶入測(cè)溫公式計(jì)算，這樣得到了整個(gè)高溫目標(biāo)區(qū)域的溫度矩陣。對(duì)該溫度矩陣處理可以得到溫度場(chǎng)中的溫度的最大值、最小值、平均值，并且使用三角形網(wǎng)格自動(dòng)生成等值線的算法完成等溫線的追蹤和繪制[6-8]。該測(cè)溫軟件的程序流程圖如圖3所示。

圖3 測(cè)溫系統(tǒng)的程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中采用酒精燈火焰作為研究對(duì)象，對(duì)酒精燈火焰的溫度場(chǎng)分布作了計(jì)算和處理來(lái)驗(yàn)證該測(cè)溫系統(tǒng)。通過(guò)彩色CCD相機(jī)連續(xù)拍攝酒精燈火焰圖像，測(cè)溫軟件的采集部分結(jié)合圖像采集卡將模擬的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信息存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)上，然后進(jìn)行圖像預(yù)處理，完成對(duì)溫度場(chǎng)的計(jì)算，最后根據(jù)等值線的追蹤和繪制算法繪制出等溫線。根據(jù)測(cè)溫軟件得到的酒精燈火焰的測(cè)溫結(jié)果如圖4所示。

圖4 測(cè)溫軟件對(duì)火焰圖像的處理結(jié)果

從圖4中可以看到，圖像中畫(huà)出了等溫線，不同的溫度用不同顏色的等溫線來(lái)表現(xiàn)，同時(shí)在等溫線線上對(duì)溫度值進(jìn)行了標(biāo)注，并且可以得到酒精燈火焰圖像的平均溫度、最高溫度和最低溫度。鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖像上的某一個(gè)點(diǎn)，將該點(diǎn)的坐標(biāo)提取出來(lái)并轉(zhuǎn)換為相對(duì)于圖像的坐標(biāo)，在溫度矩陣中取出對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度值并顯示出來(lái)。

5 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)比色測(cè)溫法建立的CCD比色測(cè)溫系統(tǒng)能夠簡(jiǎn)單快速地計(jì)算出酒精燈火焰的溫度場(chǎng)分布，使用該測(cè)溫軟件計(jì)算出近似溫度值，顯示出等溫線，能直觀地顯示不同亮度下火焰的溫度場(chǎng)。對(duì)在溫度場(chǎng)的測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，需要對(duì)測(cè)溫軟件進(jìn)行進(jìn)一步的標(biāo)定和校正，以提高精度。

參考 文 獻(xiàn)

[1]戴景民. 輻射測(cè)溫的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2004，23（3）：1-7.

[2]由富恩. 輻射測(cè)溫儀原理及其檢定[M]. 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1990.

[3]李玉曉，；李晟. 基于彩色CCD的高溫溫度場(chǎng)軟測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 江西理工大學(xué)報(bào)，2012，33（1）：48-55.

[4]周海葉，彭小奇，宋海鷹. 插值標(biāo)定的CCD比色測(cè)溫方法[J]. 能源技術(shù)，2004，25（3）：93-95.

[5]孫燮華. 數(shù)字圖像處理—Visual C#.NET編程與實(shí)驗(yàn)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[6]成建梅，陳崇希，孫紅林. 三角網(wǎng)格等值線自動(dòng)生成方法及程序?qū)崿F(xiàn)[J]. 水利學(xué)報(bào)，1998，43（10）：23-26.

[7]余明輝，萬(wàn)遠(yuǎn)揚(yáng)，余飛. 一種繪制等值線圖的新方法[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，39（3）：52-54.

[8]郭新奇，嚴(yán)建鋼，楊士峰. 基于VC++的等值線追蹤與填充算法[J]. 兵工自動(dòng)化，2011，30（4）：81-84.

Research on flame temperature field measurement based on CCD image sensor

GUO Kai， LU Shan-ying

（School of Electronic Information Engineering ， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： The principle of colorimetric thermometry is studied， the formula for the temperature field of the high temperature object is deduced， and the temperature distribution of high temperature object is obtained with image processing technology. Taking the flame of alcohol burner as the research object， the parameters are set through color CCD camera and image acquisition card， and the digital images of flames are captured to computer， after the image preprocessing， the temperature field of the flame images are calculated， and the relevant isotherms are generated.

Keywords： colorimetric thermometry； image processing； temperature field； isotherm

圖4 測(cè)溫軟件對(duì)火焰圖像的處理結(jié)果

從圖4中可以看到，圖像中畫(huà)出了等溫線，不同的溫度用不同顏色的等溫線來(lái)表現(xiàn)，同時(shí)在等溫線線上對(duì)溫度值進(jìn)行了標(biāo)注，并且可以得到酒精燈火焰圖像的平均溫度、最高溫度和最低溫度。鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖像上的某一個(gè)點(diǎn)，將該點(diǎn)的坐標(biāo)提取出來(lái)并轉(zhuǎn)換為相對(duì)于圖像的坐標(biāo)，在溫度矩陣中取出對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度值并顯示出來(lái)。

5 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)比色測(cè)溫法建立的CCD比色測(cè)溫系統(tǒng)能夠簡(jiǎn)單快速地計(jì)算出酒精燈火焰的溫度場(chǎng)分布，使用該測(cè)溫軟件計(jì)算出近似溫度值，顯示出等溫線，能直觀地顯示不同亮度下火焰的溫度場(chǎng)。對(duì)在溫度場(chǎng)的測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，需要對(duì)測(cè)溫軟件進(jìn)行進(jìn)一步的標(biāo)定和校正，以提高精度。

參考 文 獻(xiàn)

[1]戴景民. 輻射測(cè)溫的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2004，23（3）：1-7.

[2]由富恩. 輻射測(cè)溫儀原理及其檢定[M]. 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1990.

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[4]周海葉，彭小奇，宋海鷹. 插值標(biāo)定的CCD比色測(cè)溫方法[J]. 能源技術(shù)，2004，25（3）：93-95.

[5]孫燮華. 數(shù)字圖像處理—Visual C#.NET編程與實(shí)驗(yàn)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[6]成建梅，陳崇希，孫紅林. 三角網(wǎng)格等值線自動(dòng)生成方法及程序?qū)崿F(xiàn)[J]. 水利學(xué)報(bào)，1998，43（10）：23-26.

[7]余明輝，萬(wàn)遠(yuǎn)揚(yáng)，余飛. 一種繪制等值線圖的新方法[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，39（3）：52-54.

[8]郭新奇，嚴(yán)建鋼，楊士峰. 基于VC++的等值線追蹤與填充算法[J]. 兵工自動(dòng)化，2011，30（4）：81-84.

Research on flame temperature field measurement based on CCD image sensor

GUO Kai， LU Shan-ying

（School of Electronic Information Engineering ， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： The principle of colorimetric thermometry is studied， the formula for the temperature field of the high temperature object is deduced， and the temperature distribution of high temperature object is obtained with image processing technology. Taking the flame of alcohol burner as the research object， the parameters are set through color CCD camera and image acquisition card， and the digital images of flames are captured to computer， after the image preprocessing， the temperature field of the flame images are calculated， and the relevant isotherms are generated.

Keywords： colorimetric thermometry； image processing； temperature field； isotherm

圖4 測(cè)溫軟件對(duì)火焰圖像的處理結(jié)果

從圖4中可以看到，圖像中畫(huà)出了等溫線，不同的溫度用不同顏色的等溫線來(lái)表現(xiàn)，同時(shí)在等溫線線上對(duì)溫度值進(jìn)行了標(biāo)注，并且可以得到酒精燈火焰圖像的平均溫度、最高溫度和最低溫度。鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖像上的某一個(gè)點(diǎn)，將該點(diǎn)的坐標(biāo)提取出來(lái)并轉(zhuǎn)換為相對(duì)于圖像的坐標(biāo)，在溫度矩陣中取出對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度值并顯示出來(lái)。

5 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)比色測(cè)溫法建立的CCD比色測(cè)溫系統(tǒng)能夠簡(jiǎn)單快速地計(jì)算出酒精燈火焰的溫度場(chǎng)分布，使用該測(cè)溫軟件計(jì)算出近似溫度值，顯示出等溫線，能直觀地顯示不同亮度下火焰的溫度場(chǎng)。對(duì)在溫度場(chǎng)的測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，需要對(duì)測(cè)溫軟件進(jìn)行進(jìn)一步的標(biāo)定和校正，以提高精度。

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[3]李玉曉，；李晟. 基于彩色CCD的高溫溫度場(chǎng)軟測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 江西理工大學(xué)報(bào)，2012，33（1）：48-55.

[4]周海葉，彭小奇，宋海鷹. 插值標(biāo)定的CCD比色測(cè)溫方法[J]. 能源技術(shù)，2004，25（3）：93-95.

[5]孫燮華. 數(shù)字圖像處理—Visual C#.NET編程與實(shí)驗(yàn)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[6]成建梅，陳崇希，孫紅林. 三角網(wǎng)格等值線自動(dòng)生成方法及程序?qū)崿F(xiàn)[J]. 水利學(xué)報(bào)，1998，43（10）：23-26.

[7]余明輝，萬(wàn)遠(yuǎn)揚(yáng)，余飛. 一種繪制等值線圖的新方法[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，39（3）：52-54.

[8]郭新奇，嚴(yán)建鋼，楊士峰. 基于VC++的等值線追蹤與填充算法[J]. 兵工自動(dòng)化，2011，30（4）：81-84.

Research on flame temperature field measurement based on CCD image sensor

GUO Kai， LU Shan-ying

（School of Electronic Information Engineering ， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： The principle of colorimetric thermometry is studied， the formula for the temperature field of the high temperature object is deduced， and the temperature distribution of high temperature object is obtained with image processing technology. Taking the flame of alcohol burner as the research object， the parameters are set through color CCD camera and image acquisition card， and the digital images of flames are captured to computer， after the image preprocessing， the temperature field of the flame images are calculated， and the relevant isotherms are generated.

Keywords： colorimetric thermometry； image processing； temperature field； isotherm