專利名稱：三維測溫成像系統(tǒng)及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三維測溫成像系統(tǒng)及其測量方法。
背景技術(shù)：
目前常見的測溫成像系統(tǒng)以紅外感光元件為主，其結(jié)構(gòu)主要包括光學(xué)鏡頭、紅外 成像感光元件以及信號處理單元，感光元件的感應(yīng)光波長通常在1微米以上。這類測溫成 像系統(tǒng)的優(yōu)點是可以測較低的溫度，甚至包括常溫物體，缺點是成本較高，這主要是由于紅 外成像感光元件的成本比其他可見光及近紅外成像元件高很多。近年來基于CXD的測溫成像系統(tǒng)大多以多個CXD相機或多CXD元件為主，將輻射 信號分光至多個CCD相機，利用輻射測溫原理進行溫度計算，這使得測溫系統(tǒng)較為復(fù)雜，同 時由于多個成像元件帶來的同步差問題，增加了系統(tǒng)校準(zhǔn)及標(biāo)定的難度，也提高了測溫系 統(tǒng)的成本。對物體三維結(jié)構(gòu)的計算機重建，目前的常見方法是在物體的表面標(biāo)出很多特征點 或利用物體表面已有的特征點，采用多個CCD相機對物體的多個表面同時攝像，或者用單 個CCD相機對該物體不同表面拍攝一系列的圖像，利用物體不同圖像上各相同的表面特征 點來對物體表面輪廓進行重建。但該方法對于發(fā)熱的的中高溫物體，其表面基本不存在特 征點，也無法在其表面標(biāo)出特征點，因此該方法很難適用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種低成本的三維測溫成像系統(tǒng)，避免了多個 成像元件帶來的同步差問題，同時也能對中高溫物體進行三維結(jié)構(gòu)重建。本發(fā)明還要提供一種上述三維測溫成像系統(tǒng)的測量方法。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是三維測溫成像系統(tǒng)，沿光路包括光學(xué) 鏡頭組、圖像傳導(dǎo)光纖、成像元件、信號處理器，所述光學(xué)鏡頭組包括至少三組光學(xué)鏡頭組， 所述成像元件是單片彩色CCD或CMOS成像元件。進一步的，所述光學(xué)鏡頭組包括凸透鏡和降噪光圈。進一步的，所述光學(xué)鏡頭組采用四組呈四面體形狀排列，每兩組光學(xué)鏡頭組之間 與被測物體中心的夾角為109. 4度。進一步的，所述圖像傳導(dǎo)光纖的組數(shù)與光學(xué)鏡頭組的組數(shù)相同。進一步的，在所述信號處理器前還設(shè)置有信號處理轉(zhuǎn)換器。三維測溫成像系統(tǒng)的測量方法，該方法包括以下步驟1)光學(xué)鏡頭組收集被測溫物體各表面輻射信號，并對信號進行降噪、準(zhǔn)直；2)圖像傳導(dǎo)光纖將光學(xué)鏡頭組收集的圖像信號傳輸至同一彩色CXD或CMOS影像 元件3表面的幾個不同區(qū)域；3)彩色CCD或CMOS成像元件將各圖像傳導(dǎo)光纖傳輸?shù)墓庾V信號轉(zhuǎn)化為圖像信號； 信號處理轉(zhuǎn)換器將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳輸至信號處理器；
4)信號處理器進行數(shù)據(jù)處理及溫度場計算。進一步的，步驟3所述各圖像信號包括三到四個寬波段的光信號。進一步的，步驟4所述溫度場計算是利用亮度閾值以及亮度梯度分布自動偵測 物體的邊界或者指定的閾值邊界，根據(jù)多波段測溫原理對被測物體表面每一個點的溫度進 行計算，同時根據(jù)劃定的物體表面某一點或某一區(qū)域的溫度場進行計算。進一步的，步驟4所述溫度場計算是利用四組光學(xué)鏡頭組的坐標(biāo)以及所拍攝圖 像的邊界，對該被測物體的三維形狀進行還原，進而將其表面的溫度數(shù)據(jù)表征在三維模型 表面。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明基于熱源輻射的非接觸式、中高溫物體表面成像測 溫的系統(tǒng)及方法，可對多個圖像信號進行比較從而偵測出物體的測溫邊界，利用多波段熱 源輻射溫度算法以及系統(tǒng)特性對被測物體表面溫度進行計算，同時還可將被測物體表面的 溫度場進行三維表征。本發(fā)明所涵蓋的單片CXD或CMOS、多圖像測溫及表面表征技術(shù)可以 方便應(yīng)用于各類中高溫領(lǐng)域，單片CCD或CMOS的應(yīng)用避免了多個成像元件帶來的同步差問 題以及高成本等弊端，同時可以根據(jù)被測物體的表面性質(zhì)選擇特定波長來提高測量的準(zhǔn)確 性，也可降低自然光反射對測量結(jié)果的影響。本發(fā)明提供了一種在苛刻條件下(中高溫發(fā) 熱物體)對物體進行三維立體結(jié)構(gòu)還原的系統(tǒng)及方法，由于至少三組圖像的捕獲是同步進 行，避免了用單個CCD相機進行順序圖像捕獲帶來的物體表面溫度數(shù)據(jù)不同步的問題，同 時也不需要對物體表面進行特征點標(biāo)示。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2以四組圖像構(gòu)建的三維立體示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明的系統(tǒng)沿光路包括以下組件1)光學(xué)鏡頭組1 包括至少三組光學(xué)鏡頭組1，每組光學(xué)鏡頭組1包括凸透鏡和降 噪光圈，光學(xué)鏡頭組1收集被測溫物體各表面輻射信號，并對信號進行降噪、準(zhǔn)直，至少三 組光學(xué)鏡頭組分別安裝于被測物體的四周，最好采用四組呈四面體形狀排列，每兩組光學(xué) 鏡頭組1之間與被測物體中心的夾角為109. 4度。四組光學(xué)鏡頭組1可以涵蓋物體所有表 面的輻射信息，同時可以獲取三維立體重建必須的空間信息，而三組光學(xué)鏡頭組1如果要 獲取必要的三維立體重建空間信息，最多只能涵蓋物體7/8的表面。多于四組光學(xué)鏡頭組 1則無必要，圖1表達(dá)的是四組光學(xué)鏡頭組1 ；2)圖像傳導(dǎo)光纖2 圖像傳導(dǎo)光纖2主要由玻璃光纖束組成，可根據(jù)實際應(yīng)用選擇 圖像傳導(dǎo)光纖的分辨率，圖像傳導(dǎo)光纖2的組數(shù)與光學(xué)鏡頭組1的組數(shù)相同，圖像傳導(dǎo)光纖 2將光學(xué)鏡頭組1收集的圖像信號傳輸至同一彩色CXD或CMOS影像元件3表面的幾個不同 區(qū)域；3)彩色CXD或CMOS成像元件3及信號處理轉(zhuǎn)換器4 將各圖像傳導(dǎo)光纖傳輸?shù)墓?譜信號轉(zhuǎn)化為圖像信號，各圖像信號包括三到四個寬波段的光信號，波段的數(shù)量通常取決 于彩色CXD或CMOS表面的彩色濾光片，通常為RGB或YeMaCy ；信號處理轉(zhuǎn)換器4的作用是將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳輸至信號處理器；4)信號處理器5 可以利用亮度閾值以及亮度梯度分布自動偵測物體的邊界或者 指定的閾值邊界，而每個圖像都包括了多波段信號，這就可以根據(jù)多波段測溫原理對被測 物體表面每一個點的溫度進行計算，同時可以根據(jù)劃定的物體表面某一點或某一區(qū)域的溫 度場進行計算。利用四組光學(xué)鏡頭組的坐標(biāo)以及所拍攝圖像的邊界，可以對該被測物體的 三維形狀進行還原，進而將其表面的溫度數(shù)據(jù)表征在三維模型表面。溫度計算過程本發(fā)明利用被測物體表面各點在不同溫度時，輻射信號在不同光波波段上的差異 對比來計算該點的溫度。在最理想的情況下，CXD或CMOS成像元件上每一個像素的數(shù)字信號強度與被測物 體的溫度的關(guān)系可以表達(dá)為方程式一
權(quán)利要求
三維測溫成像系統(tǒng)，沿光路包括光學(xué)鏡頭組(1)、圖像傳導(dǎo)光纖(2)、成像元件、信號處理器(5)，其特征在于所述光學(xué)鏡頭組(1)包括至少三組光學(xué)鏡頭組(1)，所述成像元件是單片彩色CCD或CMOS成像元件(3)。
2.如權(quán)利要求1所述的三維測溫成像系統(tǒng)，其特征在于所述光學(xué)鏡頭組(1)包括凸 透鏡和降噪光圈。
3.如權(quán)利要求1所述的三維測溫成像系統(tǒng)，其特征在于所述光學(xué)鏡頭組(1)采用四 組呈四面體形狀排列，每兩組光學(xué)鏡頭組(1)之間與被測物體中心的夾角為109. 4度。
4.如權(quán)利要求1所述的三維測溫成像系統(tǒng)，其特征在于所述圖像傳導(dǎo)光纖(2)的組 數(shù)與光學(xué)鏡頭組(1)的組數(shù)相同。
5.如權(quán)利要求1所述的三維測溫成像系統(tǒng)，其特征在于在所述信號處理器(5)前還 設(shè)置有信號處理轉(zhuǎn)換器(4)。
6.三維測溫成像系統(tǒng)的測量方法，其特征在于該方法包括以下步驟1)光學(xué)鏡頭組收集被測溫物體各表面輻射信號，并對信號進行降噪、準(zhǔn)直；2)圖像傳導(dǎo)光纖將光學(xué)鏡頭組收集的圖像信號傳輸至同一彩色CCD或CMOS影像元件 3表面的幾個不同區(qū)域；3)彩色CCD或CMOS成像元件將各圖像傳導(dǎo)光纖傳輸?shù)墓庾V信號轉(zhuǎn)化為圖像信號；信 號處理轉(zhuǎn)換器將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳輸至信號處理器；4)信號處理器進行數(shù)據(jù)處理及溫度場計算。
7.權(quán)利要求6所述的三維測溫成像系統(tǒng)的測量方法，其特征在于步驟3所述各圖像 信號包括三到四個寬波段的光信號。
8.權(quán)利要求6所述的三維測溫成像系統(tǒng)的測量方法，其特征在于步驟4所述溫度場 計算是利用亮度閾值以及亮度梯度分布自動偵測物體的邊界或者指定的閾值邊界，根據(jù) 多波段測溫原理對被測物體表面每一個點的溫度進行計算，同時根據(jù)劃定的物體表面某一 點或某一區(qū)域的溫度場進行計算。
9.權(quán)利要求6所述的三維測溫成像系統(tǒng)的測量方法，其特征在于步驟4所述溫度場 計算是利用四組光學(xué)鏡頭組的坐標(biāo)以及所拍攝圖像的邊界，對該被測物體的三維形狀進 行還原，進而將其表面的溫度數(shù)據(jù)表征在三維模型表面。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種低成本的三維測溫成像系統(tǒng)，避免了多個成像元件帶來的同步差問題，同時也能對中高溫物體進行三維結(jié)構(gòu)重建。三維測溫成像系統(tǒng)，沿光路包括光學(xué)鏡頭組、圖像傳導(dǎo)光纖、成像元件、信號處理器，所述光學(xué)鏡頭組包括至少三組光學(xué)鏡頭組，所述成像元件是單片彩色CCD或CMOS成像元件。本發(fā)明基于熱源輻射的非接觸式、中高溫物體表面成像測溫的系統(tǒng)及方法，可對多個圖像信號進行比較從而偵測出物體的測溫邊界，利用多波段熱源輻射溫度算法以及系統(tǒng)特性對被測物體表面溫度進行計算，同時還可將被測物體表面的溫度場進行三維表征。
文檔編號G01J5/48GK101943605SQ201010261260
公開日2011年1月12日 申請日期2010年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者盧家金 申請人:盧家金