[發(fā)明專利]一種基于圖像拼接的空冷凝汽器散熱面溫度場測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310093416.8
• 申請日: 2013-03-22
• 公開（公告）號: CN103217221B
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李小路;徐立軍;陳路路;成艷亭
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01J5/00
• 分類號: G01J5/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于圖像拼接的空冷凝汽器散熱面溫度場測量方法，空冷凝汽器 散熱面大于紅外熱像儀視場，所述方法包括：利用多臺紅外熱像儀獲得整個空 冷凝汽器散熱面的多幅局部高分辨率紅外圖像，獲取的相鄰紅外圖像間有重疊 區(qū)域；基于紅外圖像的灰度投影，利用圖像處理方法，對紅外圖像進行預(yù)處理 和拼接，獲得整個空冷凝汽器散熱面的完整紅外圖像，圖像分辨率高，細節(jié)信 息豐富；基于紅外熱像儀自身的測溫功能，用上述紅外圖像處理的方法對相應(yīng) 的溫度矩陣進行處理，獲得整個空冷凝汽器散熱面的完整溫度矩陣；該方法能 夠獲得整個空冷凝汽器散熱面的連續(xù)溫度場，并且連續(xù)溫度場細節(jié)豐富，適用 于根據(jù)溫度場對空冷系統(tǒng)優(yōu)化和降低能耗等方面的研究；其特征在于，包括以 下具體實現(xiàn)步驟：

步驟一、在空冷島搭建四通道紅外熱像儀測溫系統(tǒng)，獲取空冷凝汽器散熱 面的多幅局部高分辨率紅外圖像，其中，為了便于后續(xù)闡述，從上往下依次記 為通道一、通道二、通道三、通道四；

(1)將四臺紅外熱像儀安裝在被測空冷凝汽器散熱面相對一側(cè)的清洗支架 上，調(diào)整四臺紅外熱像儀的姿態(tài)使得四臺紅外熱像儀能夠覆蓋整個空冷凝汽器 散熱面的縱向范圍，并且相鄰紅外熱像儀的視場間有重疊區(qū)域，固定紅外熱像 儀；

(2)將紅外熱像儀通過以太網(wǎng)與交換機相連；交換機以無線的方式即時把 拍攝的紅外圖像傳送給計算機處理；

(3)利用熱電偶對紅外熱像儀的參數(shù)進行修正，保證紅外熱像儀測溫結(jié)果 準確；

步驟二、利用搭建好的四通道紅外熱像儀測溫系統(tǒng)，獲取空冷凝汽器散熱 面的多幅局部高分辨率紅外圖像；獲取紅外圖像時，需要快速移動清洗支架， 并且控制清洗支架的單步移動距離，保證相鄰兩次拍攝的紅外圖像之間有重疊 區(qū)域；

步驟三、對獲取的所有紅外圖像進行預(yù)處理，包括紅外圖像壓縮、紅外圖 像對比度增強和紅外圖像的幾何畸變校正；

(1)紅外圖像對比度增強采用灰度映射算法實現(xiàn)，具體的灰度映射函數(shù)如 下：

EH(s)=2561+(170s+e)10]]>

其中，s表示原始圖像的灰度值，E_H(s)為對原始圖像進行對比度增強后的圖像 的灰度值，e的引入是為了避免s為零時映射函數(shù)無意義情況的發(fā)生；

(2)紅外圖像的幾何畸變校正采用控制點變換算法實現(xiàn)；由于紅外圖像由 有限數(shù)量的基管和不多于兩條水平固定桿以及基管之間的翅片組成，紋理比較 簡單，并且在世界坐標中豎直的基管在紅外圖像中不再豎直，水平的固定桿也 不再水平，依據(jù)一組平行的直線在射影幾何中交于一個消隱點的理論，通過在 畸變圖像中尋找四邊形的方式構(gòu)造控制點對，其中，四邊形對應(yīng)于無畸變圖像 中的矩形；利用控制點對在畸變圖像和無畸變圖像間的坐標關(guān)系求解紅外圖像 間的空間變換矩陣；再利用三次灰度插值算法獲得無畸變圖像中像素點的灰度 信息，實現(xiàn)紅外圖像的幾何畸變校正；

(3)為了減小計算量，提高直線提取的精度，在紅外圖像幾何畸變校正之 前，首先利用Canny邊緣檢測算子對圖像進行邊緣檢測，然后基于Radon變換， 通過控制Radon變換中線投影的角度分別提取豎線和橫線的信息；

(4)為了便于后續(xù)的闡述，預(yù)處理之后的紅外圖像按通道分別簡記為通道 一圖像、通道二圖像、通道三圖像和通道四圖像；

步驟四、對預(yù)處理后的紅外圖像進行配準，以獲得整個空冷凝汽器散熱面 的完整配準圖；

規(guī)定：相鄰兩幅紅外圖像在水平方向上存在的偏移量，記為橫向偏移量， 橫向偏移量包括橫向粗略偏移量和橫向精確偏移量；相鄰兩幅紅外圖像在豎直 方向上存在的偏移量，記為縱向偏移量，縱向偏移量包括縱向粗略偏移量和縱 向精確偏移量；

詳細步驟如下：

(1)基于圖像的列灰度投影，利用相位相關(guān)法和重疊區(qū)域中的基管中心是 否對齊求取通道一圖像中相鄰兩幅間的橫向精確偏移量和橫向配準位置矩陣；

在求取橫向精確偏移量之前，先求取圖像間的橫向粗略偏移量；由于預(yù)處 理之后的紅外圖像中的豎線保持豎直，因此，紅外圖像在橫向的主要特征是基 管、翅片交替排列，在列灰度投影中表現(xiàn)為極大值、極小值交替有規(guī)律的出現(xiàn)， 其中，極小值的位置對應(yīng)于基管中心，極大值的位置對應(yīng)于翅片中心，同樣地， 基管和翅片的邊緣對應(yīng)于投影曲線中斜率最大的位置，因此，計算同一通道相 鄰紅外圖像間的橫向粗略偏移量時，只需使用紅外圖像的列灰度投影進行相位 計算；圖像的列灰度投影如下：

c(j)=Σi=1RNf(i,j)]]>

式中，c(j)為圖像f(i,j)第j列的灰度投影，RN為圖像的行數(shù)；僅存在一個平 移量(x₀,y₀)的兩幅圖像f₁(x,y)和f₂(x,y)的RN行的列灰度投影分別為c₁(x,y) 和c₂(x,y)；計算兩個列灰度投影之間的互功率譜，然后根據(jù)兩幅圖像列灰度 投影的互功率譜的反傅立葉變換在平移量(x₀,y₀)處有明顯的峰值，可以得到兩 幅圖像間的橫向粗略偏移量；

基于已求得的兩幅圖像間的橫向粗略偏移量，可以確定兩幅圖像間的大致 重疊區(qū)域；通過對大致重疊區(qū)域內(nèi)的基管中心進行對齊，可以確定兩幅圖像間 的橫向精確偏移量；其中，在進行基管對齊之前，首先通過列灰度投影分別檢 測出兩幅圖像大致重疊區(qū)域中的基管中心，再依據(jù)兩個先驗知識濾除干擾極值 點：一是基管中心處的灰度投影為極小值，雖然翅片縫隙比較寬的地方也會出 現(xiàn)極小值，但這些極小值一般比較大，二是相鄰基管之間的間距為固定值；最 后，根據(jù)列灰度投影曲線中剩余的極小值位置和分布確定兩幅圖像間的橫向精 確偏移量；

基于已求得的兩幅圖像間的橫向精確偏移量，可以確定兩幅圖像間的橫向 精確重疊區(qū)域；選擇橫向精確重疊區(qū)域內(nèi)最直的匹配基管中心的橫坐標為配準 位置，由此，可以得到左側(cè)圖像的配準位置和右側(cè)圖像的配準位置，保存于1 行2列的矩陣，記為橫向配準位置矩陣；

(2)類似地，基于圖像的列灰度投影，利用相位相關(guān)法和重疊區(qū)域中的基 管中心是否對齊求取同一時刻的通道一圖像和通道二圖像間的橫向精確偏移量 和橫向配準位置矩陣；

(3)根據(jù)(1)求得的通道一圖像間的橫向精確偏移量和(2)求得的通 道一圖像、通道二圖像間的橫向精確偏移量，求取通道二圖像間的橫向精確偏 移量和橫向配準位置矩陣；

在拍攝過程中，紅外熱像儀的姿態(tài)保持固定，因此，同一時刻的通道一圖 像和通道二圖像間的橫向精確偏移量幾乎一樣，誤差不超過兩個像素，所以， 可以取(2)求得的通道一圖像和通道二圖像間出現(xiàn)次數(shù)最多的橫向精確偏移量 值作為最終的橫向精確偏移量；再將(1)求得的通道一圖像間的橫向精確偏移 量與通道一圖像、通道二圖像間的橫向精確偏移量相減即可獲得通道二圖像間 的橫向精確偏移量；同樣地，根據(jù)(1)能夠求得通道二圖像間的橫向配準位置 矩陣；

(4)采用類似通道一圖像間和通道二圖像間橫向配準位置矩陣的求法，依 次分別求取通道三圖像間和通道四圖像間的橫向配準位置矩陣；

(5)根據(jù)已求得的單通道圖像間的橫向配準位置矩陣，從左到右依次對所 有的單通道圖像進行配準，獲得四幅單個通道的完整配準圖；

由于在拍攝過程中，紅外熱像儀剛體固定，清洗支架水平移動，并且，單 通道的紅外圖像數(shù)量較多，拼接全景圖較大，因此，同一通道相鄰兩幅紅外圖 像間的縱向偏移量忽略不計；

(6)基于明顯標記，通過鼠標點擊的方式依次求取相鄰?fù)ǖ劳暾錅蕡D之 間的縱向配準位置矩陣；

由于相鄰兩幅縱向圖像間的重疊區(qū)域中一般存在明顯標記，為了提高圖像 配準精度，首先通過鼠標點擊方式確定包含明顯標記點的區(qū)域的邊界坐標；然 后分割出標記點區(qū)域圖像，對其放大3倍；再在放大的區(qū)域圖像內(nèi)部通過鼠標 點擊方式確定準確的標記點坐標，將標記點在上面一幅圖像和下面一幅圖像中 的縱坐標按次序保存于1行2列的矩陣中，即為縱向配準位置矩陣；

(7)根據(jù)已求得的單通道完整配準圖像間的縱向配準位置矩陣，從上到下 依次對所有的單通道完整配準圖像進行配準，獲得整個空冷凝汽器散熱面的完 整配準圖；

步驟五、對已經(jīng)獲得的整個空冷凝汽器散熱面的完整配準圖，利用步驟四 求得的四個單通道圖像間的橫向配準位置矩陣和三個單通道完整配準圖之間的 縱向配準位置矩陣，從左到右，從上到下，依次對圖像間的每個拼縫進行融合， 得到整個空冷凝汽器散熱面的完整拼接圖；

(1)首先對單通道完整配準圖中的每個拼縫進行融合；融合方法是以拼縫 左側(cè)圖像中靠近拼縫的5列灰度值的平均灰度值c_g₀作為參考，計算拼縫右 側(cè)圖像靠近拼縫的5列的灰度值的平均灰度值c_g₁，記c_g₀和c_g₁的差值 為c_dif，拼縫右側(cè)圖像的寬度為c_wid，拼縫融合的表達式為：

pc_g=-c_difc_wid*len+c_dif+oc_g]]>

式中，len為待處理列與拼縫之間的距離，oc_g為待處理列的原始灰度值， pc_g為對待處理列融合處理后的灰度值；根據(jù)已經(jīng)求得的單通道橫向配準位 置矩陣，從左側(cè)到右側(cè)依次確定每個拼縫的位置，再利用上述方法逐個地對每 個拼縫進行融合；

(2)對單通道完整配準圖間的拼縫進行融合；融合方法與(1)類似，但 計算的是拼縫上側(cè)圖像中靠近拼縫的5行的灰度值的平均灰度值r_g₀和拼縫 下側(cè)圖像靠近拼縫的5行的灰度值的平均灰度值r_g₁，記r_g₀和r_g₁的差 值為r_dif，拼縫下側(cè)圖像的寬度為r_wid，拼縫融合的表達式為：

pr_g=-r_difr_wid*hig+r_dif+or_g]]>

式中，hig為待處理行與拼縫之間的距離，or_g為待處理行的原始灰度值， pr_g為對待處理行進行融合處理后的灰度值；根據(jù)已經(jīng)求得的單通道完整配 準圖之間的縱向配準位置矩陣，從上側(cè)到下側(cè)依次確定每個拼縫的位置，再利 用上述方法逐個地對每個拼縫進行融合；

步驟六、用紅外熱像儀自帶的讀溫度程序讀取紅外熱像儀獲取的所有紅外 圖像的溫度矩陣；所使用紅外熱像儀自帶讀溫度程序，輸入量為紅外熱像儀拍 攝的紅外圖像，輸出量為與輸入紅外圖像對應(yīng)的溫度矩陣；

步驟七、用步驟三至步驟五所述的紅外圖像預(yù)處理和拼接的方法對讀取的 溫度矩陣做相同處理；

(1)首先，用步驟三中的紅外圖像預(yù)處理方法對紅外圖像對應(yīng)的溫度矩陣 做預(yù)處理；

(2)其次，利用步驟四求得的四個單通道圖像間的橫向配準位置矩陣和三 個單通道完整配準圖之間的縱向配準位置矩陣直接對預(yù)處理后的溫度矩陣進行 配準，得到整個空冷凝汽器散熱面的完整配準溫度矩陣；

(3)然后，用步驟五的方法對(2)中的完整配準溫度矩陣進行融合，得 到整個空冷凝汽器散熱面的完整拼接溫度矩陣，可以表征整個空冷凝汽器散熱 面的溫度分布；

步驟八、對已求得的整個空冷凝汽器散熱面的完整拼接溫度矩陣進行偽彩 色映射；

由于空冷凝汽器散熱面的溫度分布比較集中，如果直接進行顏色映射，得 到的偽彩色圖像將集中在顏色條很小的范圍內(nèi)，致使圖像對比度較低，不利于 溫度場分析；為了避免這種情況的發(fā)生，在進行顏色映射之前，先把溫度映射 到0～63，映射關(guān)系如下式所示：

t_o＝63/(t_max-t_min)*(t-t_min)

其中t_max、t_min分別為最高溫度和最低溫度，t為輸入溫度，t_o為 映射后的輸出值；經(jīng)過這種變換后的偽彩色圖像能夠直觀地顯示空冷凝汽器散 熱面的溫度分布。 ?