基于CCD圖像傳感器的火焰溫度場測量的研究

郭凱+盧山鷹

摘 要：研究了比色測溫法的原理，推出了計算高溫物體溫度場的計算公式，并運用圖像處理技術得到了高溫物體表面的溫度分布。同時以酒精燈火焰作為研究對象，通過彩色CCD工業相機和圖像采集卡設置圖像的各種參數，將火焰的數字圖像采集到計算機，在對圖像進行預處理后計算出火焰圖像的溫度場，最終生成了相應的等溫線。

關鍵詞：比色測溫；圖像處理；溫度場；等溫線

中圖分類號：TP274 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）03-0033-03

0 引 言

溫度是工業生產過程中的重要參數，能夠準確實時地檢測溫度是減少資源浪費以及提高產品質量的有效手段。基于CCD圖像傳感器的測溫技術是綜合利用圖像檢測技術、數字圖像處理技術和輻射測溫技術的新型測溫技術，具有費用低廉、精度較高、操作簡單的優點，并且能夠測量出整個高溫物體表面的溫度場，穩定性也相當好，可廣泛應用于熱電站、金屬焊接、水泥窯爐、玻璃窯爐及某些冶金爐等場合，其應用前景十分廣闊[1]。本文在研究比色測溫法的原理以及對高溫物體表面溫度計算公式推導的基礎上，利用酒精燈火焰作為研究對象，構建了測溫系統的模型，編寫測溫軟件得到酒精燈火焰的溫度場分布，并畫出相應的等溫線。

1 測溫的基本原理和方法

1.1 熱輻射測溫原理

熱輻射是由于物體具有溫度而輻射電磁波的現象，這種電磁波是由物體內部微觀粒子在運動狀態改變時所激發出來的。一切溫度高于絕對零度的物體都能發射出電磁波，從而產生熱輻射[2]。根據普朗克定律和維恩位移定律，當物體的輻射波長很小時，非黑體的輻射亮度和波長之間的關系可以用維恩公式表示為：

（1）

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

1.2 基于CCD傳感器的比色測溫法

比色測溫法根據物體在兩個波長的光譜輻射亮度的比值與被測溫度之間的函數關系，通過公式變換和推導來計算出溫度值。火焰的彩色圖像在計算機內，以像素為單位逐點存儲，每一像素點存儲的信息量都包括了該像素點的亮度值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成線性關系，若保持CCD傳感器工作于線性區，對CCD光譜響應特性作理想化的單色響應假設，并運用積分中值定理，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的器件響應特性參數，r（λ）、g（λ）、b（λ）分別為彩色CCD的三基色信號的光譜響應特性函數，Kr、Kg、Kb分別為CCD彩色相機的三基色通道響應系數。對公式（2）變形整理，可得到：

（3）

根據式（1）得到它們輻射亮度比值為：

（4）

那么根據式（3）、（4）的等號右邊部分相等，取對數變換整理得：

（5）

由于絕大多數實際物體的光譜發射率在較窄的波段范圍內變化不大，可以近似認為：

[4]

令為CCD器件響應系數，可得到比色測溫的公式：

（6）

2 構建測溫系統

該測溫系統由彩色CCD相機、圖像采集卡、計算機和相應計算軟件組成，基于CCD圖像傳感器的測溫系統的構建框圖如圖1所示。

圖1 CCD測溫系統框圖

本系統測量溫度的具體過程為：彩色CCD相機通過USB數據線連接到計算機上，完成對高溫輻射體的光電轉換過程，軟件的圖像采集部分通過計算機上的圖像采集卡對模擬視頻信號進行實時采集和A/D（模數）轉換，使其轉換為數字圖像信號存儲到計算機上。測溫軟件的預處理和測溫部分對采集到的數字圖像進行分析和處理，并完成對圖像的每個像素點的溫度的計算和溫度場的處理，從溫度場中得到溫度的最大最小值、平均溫度以及完成對等溫線的繪制。

3 測溫系統的軟件設計

本系統的軟件部分主要由圖像采集、圖像預處理和溫度場計算3部分組成，測溫軟件的系統結構如圖2所示。圖像采集部分完成對高溫物體的單幀采集、序列幀采集、錄像功能，并能夠通過數據流回調在界面中實時地顯示對視頻圖像的采集和處理。圖像預處理包括圖像濾波和圖像分割，圖像濾波用來排除噪聲的干擾，圖像分割則把圖像中的背景和目標體分離出來[5]。溫度場計算需要先把目標圖像區域的溫度值計算出來形成對應的溫度矩陣，然后對溫度矩陣進行處理，并畫出等溫線。

圖2 測溫軟件的系統結構

本文研究的是根據CCD相機拍攝的熱輻射圖像來計算溫度場的分布，因此在對高溫目標的數字圖像進行處理時，應避免采用或者盡量減小可能會引起圖像的色彩信號失真的數字圖像處理過程。首先完成對圖像采集的設置，設置視頻流參數和圖像的大小，以避免可能導致圖像色彩信號失真的數字圖像處理過程，接著設置初始化標定數據，以便帶入測溫公式進行計算。為排除CCD相機的各種噪聲干擾，需要對圖像進行噪聲處理，然后需要完成目標的區分而使用圖像分割技術，將高溫被測物體與背景分離，將識別出來的高溫物體表面的圖像的每一點的像素值提取出來帶入測溫公式計算，這樣得到了整個高溫目標區域的溫度矩陣。對該溫度矩陣處理可以得到溫度場中的溫度的最大值、最小值、平均值，并且使用三角形網格自動生成等值線的算法完成等溫線的追蹤和繪制[6-8]。該測溫軟件的程序流程圖如圖3所示。

圖3 測溫系統的程序流程圖

4 實驗結果

實驗中采用酒精燈火焰作為研究對象，對酒精燈火焰的溫度場分布作了計算和處理來驗證該測溫系統。通過彩色CCD相機連續拍攝酒精燈火焰圖像，測溫軟件的采集部分結合圖像采集卡將模擬的視頻信號轉化為數字圖像信息存儲到計算機上，然后進行圖像預處理，完成對溫度場的計算，最后根據等值線的追蹤和繪制算法繪制出等溫線。根據測溫軟件得到的酒精燈火焰的測溫結果如圖4所示。

圖4 測溫軟件對火焰圖像的處理結果

從圖4中可以看到，圖像中畫出了等溫線，不同的溫度用不同顏色的等溫線來表現，同時在等溫線線上對溫度值進行了標注，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。鼠標點擊圖像上的某一個點，將該點的坐標提取出來并轉換為相對于圖像的坐標，在溫度矩陣中取出對應點的溫度值并顯示出來。

5 結 語

實驗結果表明，通過比色測溫法建立的CCD比色測溫系統能夠簡單快速地計算出酒精燈火焰的溫度場分布，使用該測溫軟件計算出近似溫度值，顯示出等溫線，能直觀地顯示不同亮度下火焰的溫度場。對在溫度場的測量過程中產生的誤差，需要對測溫軟件進行進一步的標定和校正，以提高精度。

參考 文 獻

[1]戴景民. 輻射測溫的發展現狀與展望[J]. 自動化技術與應用，2004，23（3）：1-7.

[2]由富恩. 輻射測溫儀原理及其檢定[M]. 北京：中國計量出版社，1990.

[3]李玉曉，；李晟. 基于彩色CCD的高溫溫度場軟測量系統的設計[J]. 江西理工大學報，2012，33（1）：48-55.

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

[5]孫燮華. 數字圖像處理—Visual C#.NET編程與實驗[M]. 北京：機械工業出版社，2010.

[6]成建梅，陳崇希，孫紅林. 三角網格等值線自動生成方法及程序實現[J]. 水利學報，1998，43（10）：23-26.

[7]余明輝，萬遠揚，余飛. 一種繪制等值線圖的新方法[J]. 武漢大學學報，2006，39（3）：52-54.

[8]郭新奇，嚴建鋼，楊士峰. 基于VC++的等值線追蹤與填充算法[J]. 兵工自動化，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 測溫軟件對火焰圖像的處理結果

從圖4中可以看到，圖像中畫出了等溫線，不同的溫度用不同顏色的等溫線來表現，同時在等溫線線上對溫度值進行了標注，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。鼠標點擊圖像上的某一個點，將該點的坐標提取出來并轉換為相對于圖像的坐標，在溫度矩陣中取出對應點的溫度值并顯示出來。

5 結 語

實驗結果表明，通過比色測溫法建立的CCD比色測溫系統能夠簡單快速地計算出酒精燈火焰的溫度場分布，使用該測溫軟件計算出近似溫度值，顯示出等溫線，能直觀地顯示不同亮度下火焰的溫度場。對在溫度場的測量過程中產生的誤差，需要對測溫軟件進行進一步的標定和校正，以提高精度。

參考 文 獻

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[6]成建梅，陳崇希，孫紅林. 三角網格等值線自動生成方法及程序實現[J]. 水利學報，1998，43（10）：23-26.

[7]余明輝，萬遠揚，余飛. 一種繪制等值線圖的新方法[J]. 武漢大學學報，2006，39（3）：52-54.

[8]郭新奇，嚴建鋼，楊士峰. 基于VC++的等值線追蹤與填充算法[J]. 兵工自動化，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 測溫軟件對火焰圖像的處理結果

從圖4中可以看到，圖像中畫出了等溫線，不同的溫度用不同顏色的等溫線來表現，同時在等溫線線上對溫度值進行了標注，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。鼠標點擊圖像上的某一個點，將該點的坐標提取出來并轉換為相對于圖像的坐標，在溫度矩陣中取出對應點的溫度值并顯示出來。

5 結 語

實驗結果表明，通過比色測溫法建立的CCD比色測溫系統能夠簡單快速地計算出酒精燈火焰的溫度場分布，使用該測溫軟件計算出近似溫度值，顯示出等溫線，能直觀地顯示不同亮度下火焰的溫度場。對在溫度場的測量過程中產生的誤差，需要對測溫軟件進行進一步的標定和校正，以提高精度。

參考 文 獻

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[5]孫燮華. 數字圖像處理—Visual C#.NET編程與實驗[M]. 北京：機械工業出版社，2010.

[6]成建梅，陳崇希，孫紅林. 三角網格等值線自動生成方法及程序實現[J]. 水利學報，1998，43（10）：23-26.

[7]余明輝，萬遠揚，余飛. 一種繪制等值線圖的新方法[J]. 武漢大學學報，2006，39（3）：52-54.

[8]郭新奇，嚴建鋼，楊士峰. 基于VC++的等值線追蹤與填充算法[J]. 兵工自動化，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