基于图像比色技术的火焰温度识别方法研究

刘 爽

（哈尔滨商业大学计算机信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150028）

随着电子技术、计算机技术、视觉传感器技术和图像处理技术的飞速发展，采用图像处理技术对高温温源进行测量的软硬件基础也越来越完备，因此加速了基于图像处理的温度测量技术的形成和发展[1]。这是一种典型的非接触温度测量方法，采用视觉传感器拍摄火焰等高温温源的图像，由视频传输线路和图像采集卡将现场情况转变为计算机可处理的数字图像，再采用图像处理技术分析温源图像，从而确定所须检测点的具体温度[2]。基于图像的高温温度测量包括单色测量技术、三色测量技术和比色测量技术。该文针对火焰这类具体高温温源对象，对基于图像处理技术的高温测量方法和火焰温度测量进行研究[3]。对比并判别更有效的基于图像的测温方法，为普遍高温测量问题提供思路。该文研究对很多工业工程应用都有理论价值和实用价值。

1 热辐射基本理论分析

几乎所有物质都存在辐射现象，因此辐射也可以看作物质的基本属性。当物体被加热时，构成该物体的各种物质原子和分子的运动都会发生改变且随温度升高而逐渐剧烈。在温度升高的过程中，构成物体的各类基本微粒会因吸收能量而产生能级跃迁，当跃迁后的微粒恢复原能级时，会释放吸收的能量，形成各色频率的辐射能，这就是热辐射的原理。

热辐射现象随处可见，只要不是绝对零度的物体，都存在热辐射效应。当物质热辐射时，还会发射电磁波。根据相关的物理试验测定，热辐射形成的电磁波波长范围很广，从0.1μm～1000μm。该波长范围也包括可见光、红外线以及紫外线在内的光学谱区，因为紫外线的波长通常小于0.4μm、可见光的波长约0.4μm～0.7μm、红外线的波长约0.7μm～1000μm。

因此基于图像处理的温度测量才成为可能。当物体受热辐射时，向外发射光学谱区的电磁波，采用各种光学射线捕捉设备捕捉这些电磁波，再分析其和温度的关系，就可以实现光学测温。红外测温、紫外测温和图像测温都是基于该思路。各种光学射线的波长和温度的关系，准确测温的关键是黑体辐射理论。

2 黑体辐射理论分析

为阐明黑体辐射理论，需要先分析辐射的能量会产生哪些变化。一般情况下，当热辐射的能量照射其他物体时，总能量会分为3 个部分：透过物体继续向下辐射的透射能；进入物体被物体吸收的吸收能；被物体表面反射的反射能。，如公式（1）所示。

式中：Q、Q1、Q2、Q3分别为辐射总能量、透射能量、吸收能量和反射能量，如图1 所示。

图1 辐射能量分配

透射能量、吸收能量、反射能量的大小，分别取决于该物体的透射系数、吸收系数和反射系数。这三种系数都是0～1 的无单位常数，值的大小与物体的物质属性有关。

极限情况包括以下3 种：1）当反射系数为1 且透射系数和吸收系数为0 时，热辐射的能量全部被辐射的物体反射回来，没有任何能量被物体吸收和穿过物体透射，该物体为“白体”。2）当吸收系数为1 且透射系数和反射系数为0 时，热辐射的能量全部被辐射的物体吸收，没有任何能量被物体反射和穿过物体透射，该物体为“黑体”。3）当透射系数为1 且吸收系数和反射系数为0 时，热辐射的能量全部经过辐射物体透射，没有任何能量被物体吸收或反射，为透明体。

通常采用黑体辐射理论推导辐射电磁波波长和温度的关系。因为辐射电磁波包括多种波长成分，所以物体的总辐射出射度如公式（2）所示。

式中：总辐射出射度M（T）和辐射形成的亮度L（T）的联系如公式（3）所示。

每种波长成份的辐射出射度，可以根据普朗克定律进行计算，如公式（2）～公式（4）所示。

式中：λ为波长；T为温度；C1、C2为两个辐射常数。通过公式（2）～公式（4），建立辐射亮度和温度的关系。这是基于图像测温的理论基础。

3 基于图像比色的测温方法

比色测温技术是用2 个波长的光波辐射强度的比值与被测物体温度的数学联系实现温度测量的技术。

根据大量实际经验可知，当物体的绝对温度在3000K以下时，普朗克辐射理论的计算公式可用威恩公式代替。用威恩公式计算，当光谱波长不大于700nm 时，测量误差约0.1%。

基于以上理论，设定温度为T，灰体被两个波长分别为λ1、λ2的光谱辐射后产生的亮度用L（λ1，T）、L（λ2，T）表示，根据灰体的威恩计算理论计算，如公式（5）所示。

式中：e（λ1，T）、e（λ2，T）分别为两种波长的光谱发射效率。当两种波长差别不大时，e（λ1，T）、e（λ2，T）的数值非常接近，可以认为二者相等，得出结论，如公式（6）所示。

由上述推导过程可知，比色测温无须确定被测物体的光谱发射效率，只须了解不同波长光线照射所形成的发射效率比值，两种光谱波长接近时不用物体的发射效率。

与单色测温、三色测温相比，比色测温有2 个优势：1）比色测温应用在高温度场中且实际应用的效果非常接近理论推导的理想值。一般情况下，比色测温的测量结果与被测物体温度的实际结果基本一致。2）根据不同波长光谱发射效率的比值进行测温，测温误差小，适用于现场有大量烟雾粉尘等杂质的情况。

4 基于图像比色的测温试验与结果分析

阐述基于图像的高温度场测温理论，完成处理温度图像的工作后，可以测量基于图像的火焰温度。构建火焰温度测量的硬件系统，选用比色测温技术实现火焰温度测量。

4.1 试验系统硬件

基于图像的测温系统主要包括图像采集系统和计算机控制测温系统。图像采集系统包括镜头、CCD 和图像采集卡，计算机控制测温系统主要是以计算机处理器为核心的相关设施。

4.1.1 镜头

基于图像测温的系统中，图像信息是最终解算温度信息的唯一途径，因此图像处理程序所用的图像采集结果需要尽可能准确。如果图像采集的结果误差较大，后期很难校正或消除。在CCD 阵列成像前，光学镜头是成像必备的器件之一。最终的成像结果都会被镜头引入一定畸变导致图像失真。因此，在选择用于温度测量的图像采集系统光学镜头的过程中，要选择畸变误差小的型号，需要重点考虑孔径和视场角等参数。镜头的选取还要与CCD 选型充分结合，例如焦距和成像面大小等，都要充分考虑。

4.1.2 CCD 阵列

上文详细介绍了CCD 的相关原理，CCD 阵列是整个测温系统的最核心部件。它是系统中最关键的传感器，用于光信息到电信息的转换并最终形成图像信息的中心枢纽。

在CCD 选型的过程中，除了要考虑和镜头以及图像采集卡的配套问题外，对技术指标来说，要格外注意其光谱响应曲线、响应过程的线性度、灵敏度和输出帧频等。

4.1.3 图像采集卡

图像采集卡是连接CCD 阵列和计算机的重要部件，用于实现从CCD 的模拟信号到计算机所需的数字信号的转变。图像采集卡在实现A/D 转换的过程中，还负责整定CCD 进入采集卡的电平信号、对CCD 输送的信号进行采样、量化和编码等操作，最终以计算机可以识别和处理的格式向计算机传递图像文件。

现在的图像采集卡通常都配置了功能强大的图像处理库和相关函数，并为计算机调用提供了简单接口，便于编程过程中对图像采集卡进行通道选择控制、帧频控制、图像大小控制和图像格式控制等。

4.1.4 计算机

目前计算机是各个领域广泛应用的数据存储、数据处理和数据控制的数字设备，应用于图像测温的计算机是核心的中央处理环节，所以地位非常重要。所有图像信息采集结果都在这里中转，所有标定算法和测温方法都在这里运行，所有测温结果和误差评价也都从这里输出。

4.2 测量系统标定

按照比色测温的基本原理进行系统标定。如果CCD 成像积分时间过长，就会导致彩色CCD 的某通道溢出，从而影响标定结果的准确性。因此，该文选用红色通道和蓝色通道作为比色测量的输入，最终得到的标定数据如图2 所示。根据图2 可知，该文所建立的基于图像比色测温的系统相对误差在±1.4%以内。

图2 标定结果拟合曲线竖轴

4.3 火焰温度测量结果

以酒精灯的温度场为测量对象，采用该文提出的各项方法进行处理，并测量实际的酒精灯火焰温度。试验结果如图3 所示。

图3 试验结果

由图3 可知，图3（a）～图3（d）分别代表火焰原图、灰度处理后的效果、分割后的效果和伪彩色处理效果。该图像处理结果结合比色测温的相关方法，测得酒精灯火焰的外焰温度为460℃～492℃，符合酒精灯的相关特性。

5 结论

该文研究了基于图像测温的基础理论，参考了相关技术的数学依据，例如热辐射理论、黑体辐射理论、火焰特性以及CCD 工作原理等，重点阐述了比色测温这种基于图像的测温技术，为构建测温系统做出铺垫。建立图像比色测温的硬件系统，根据比色测温原理进行系统标定，以酒精灯火焰为实测对象进行了温度测量。试验结果表明，该文所建立的测温系统和采用的测温方法，可以测量火焰温度。