專利名稱：：基于彩色三基色測量高溫發(fā)光物體溫度及其分布的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及根據(jù)高溫發(fā)光物體之顏色，采用計算機進行溫度及其分布測量的方法。對于符合普朗克輻射定律的物體，當(dāng)其自身溫度超過600℃以上高溫后，就會發(fā)出肉眼可見顏色的光線，隨著溫度的升高，色彩會由暗紅色向黃色、再向赤白色變化。根據(jù)物體自身因高溫發(fā)光所表現(xiàn)出來的顏色，有經(jīng)驗的工人師傅可以估計物體的大致溫度。現(xiàn)有對高溫溫度的測量，通常采用非接觸式的輻射測溫技術(shù)。如光學(xué)高溫計，其所測溫度為0.66微米波長下的亮度溫度，并需要根據(jù)該波長下物體單色輻射率之?dāng)?shù)據(jù)作出修正后才能得到物體的真實溫度；再如英國歐米茄技術(shù)公司生產(chǎn)的OS-900系列紅外測溫儀，接收的是物體在紅外區(qū)域發(fā)射的熱輻射，同樣也要知道物體輻射率的數(shù)據(jù)進行校正，才能準(zhǔn)確獲得物體的真實溫度；上述兩種溫度測量技術(shù)的共同缺陷是物體輻射率數(shù)據(jù)要由測試者根據(jù)情況來選擇確定，帶有一定主觀性，因此往往因給不準(zhǔn)確而造成誤差，對專業(yè)測量人員尚且如此，對非專業(yè)測量人員來說則更加困難；另外現(xiàn)有測量方法往往僅能對物體某一極小區(qū)域的輻射做出測量。日本生產(chǎn)的TVS-2000ST系列熱像儀，雖可對物體的輻射分布進行測量，但為了取得溫度分布的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，仍然需要給出物體的輻射率數(shù)據(jù)進行校正。事實上，由于物體輻射率是物體溫度和波長的函數(shù)，當(dāng)物體存在著溫度分布時，其輻射率也同樣存在著分布，但熱像儀卻只能根據(jù)給定的某一個輻射率數(shù)據(jù)，對全場的溫度分布測量數(shù)據(jù)作出一種修正，其準(zhǔn)確性受到很大的限制。值得指出的是采用上述各種輻射測溫技術(shù)，直接測得的僅僅是物體的輻射強度，而不能對物體的輻射率直接做出測量，所說用以校正溫度的輻射率數(shù)據(jù)必須以另外的方式給出，因而往往因選擇不配套或不準(zhǔn)確而造成誤差。此外，上述各種輻射測溫技術(shù)，均需進行溫度標(biāo)定，通過標(biāo)定建立起測量儀器的輸出值與輻射強度之間的相互關(guān)系。本發(fā)明提供一種基于彩色三基色測量高溫發(fā)光物體溫度及其分布的方法，對于符合普朗克輻射定律的高溫物體，根據(jù)它的發(fā)光顏色，采用計算機自動計算物體的溫度或輻射率，從而避免現(xiàn)有輻射測溫技術(shù)往往因物體輻射率數(shù)據(jù)的未知或估計不準(zhǔn)確而造成溫度測量的誤差；同時這種測量和計算可對組成高溫物體彩色影像的各像素點逐點進行，從而可得到物體的溫度或輻射率的分布。這種基于彩色三基色測量高溫發(fā)光物體溫度及其分布的方法，其特征在于通過攝像設(shè)備攝取物體因自身高溫發(fā)光形成的彩色影像，將該彩色影像數(shù)字化后輸入計算機，計算機依據(jù)所編制的計算程序，就其影像顏色所提供的三基色色系數(shù)測量數(shù)據(jù)，直接計算出物體的溫度、輻射率及其分布；所述攝像設(shè)備為彩色攝像機或彩色照相機；所述彩色影像數(shù)字化，可直接采用數(shù)字式彩色攝像機、或?qū)⒉噬珨z像機攝取的高溫物體彩色影像信息直接送往圖像采集卡、或?qū)⒉噬珨z像機攝取的高溫物體彩色影像信息存儲在錄像磁帶上再通過彩色放像機將影像放送到圖像采集卡、或采用照相機攝取高溫物體彩色照片通過彩色圖像掃描儀對彩色照片進行掃描輸入來實現(xiàn)；所述編制的計算程序為凍結(jié)并讀取物體彩色影像中指定彩色像素點的紅、綠、藍三基色之測量色系數(shù)FR、FG、FB；根據(jù)色系數(shù)方程，求出高溫物體色系數(shù)的計算值R、G、B，分別做歸一化處理后，再通過最小二乘法求解該彩色像素點所表現(xiàn)出的溫度數(shù)值；所述色系數(shù)方程為R=∫380780r(λ)ϵλC1λ5[exp(C2λT)-1]dλ]]>G=∫380780g(λ)ϵλC1λ5[exp(C2λT)-1]dλ]]>B=∫380780b(λ)ϵλC1λ5[exp(C2λT)-1]dλ]]>式中C1----普朗克第一常數(shù)；C2----普朗克第二常數(shù)；E(λ，T)----單色輻射強度；T----絕對溫度；ελ----單色輻射率；λ----波長；R，G，B----分別為紅、綠、藍色系數(shù)；r(λ)、g(λ)、b(λ)——為國際照明委員會(CIE)統(tǒng)一規(guī)定的分布色系數(shù)函數(shù)。本發(fā)明基于彩色三基色通過計算機實現(xiàn)彩色攝像溫度及其分布的測量方法，其特征在于采取如下操作步驟(1)將數(shù)字化后的物體高溫彩色影像信號輸入計算機；(2)對物體高溫彩色影像畫面施行凍結(jié)，讀取構(gòu)成物體彩色影像中某一指定像素點的紅、綠、藍三基色之測量色系數(shù)FR、FG、FB；(3)將含有一個或兩個待定參數(shù)的物體單色輻射率之表達式和普朗克輻射定律代入色系數(shù)方程，給出待定參數(shù)和溫度的初始值，得到高溫物體色系數(shù)的計算值R、G、B；(4)將測量所得色系數(shù)FR、FG、FB和計算所得色系數(shù)R、G、B分別做線性歸一化處理，得三基色單位向量fR、fG、fB和fr、fg、fb，然后輸入最小二乘法處理程序，求解出指定像素點的溫度值；(5)重復(fù)(2)→(4)之過程，即可由所攝物體因高溫表現(xiàn)出的彩色影像之色系數(shù)數(shù)據(jù)，通過逐點求解計算，得到物體溫度分布場。所述物體單色輻射率表達式可查閱有關(guān)文獻資料獲得。例如對發(fā)光火焰，其單色輻射率表達式可由汽車工程師學(xué)會文獻[SAEPaper790491(1979)]查得εfλ＝1-exp(-KL/λα)式中εfλ為發(fā)光火焰的單色輻射率；KL為待定參數(shù)；α＝1.38。附圖1是本發(fā)明所使用的計算機彩色溫度測量計算程序的流程圖。本發(fā)明測量方法依據(jù)的是如下原理對一般物體，其輻射及其分布由普朗克定律描述E(λ,T)=ϵλC1λ5[exp(C2λT)-1]]]>式中C1----普朗克第一常數(shù)；C2----普朗克第二常數(shù)；E(λ，T)----單色輻射強度；T----絕對溫度；ελ----單色輻射率；λ----波長。上式給出物體輻射的光譜分布。在可見光范圍內(nèi)，這種光譜分布表現(xiàn)為視覺上的色彩效果。另一方面，物體的色彩可以通過彩色三基色原理來復(fù)現(xiàn)，這是彩色攝像機、彩色電視機和彩色掃描儀的工作原理。面對一幅高溫物體的彩色影像，其三基色的色系數(shù)可由下列方程組來計算R=∫380780r(λ)ϵλC1λ5[exp(C2λT)-1]dλ]]>G=∫380780g(λ)ϵλC1λ5[exp(C2λT)-1]dλ]]>B=∫380780b(λ)ϵλC1λ5[exp(C2λT)-1]dλ]]>式中，R，G，B分別為紅、綠、藍色系數(shù)；r(λ)、g(λ)、b(λ)為國際照明委員會(CIE)統(tǒng)一規(guī)定的分布色系數(shù)函數(shù)。一般物體因自身高溫輻射所表現(xiàn)出來的色彩，取決于物體的輻射光譜。反過來，高溫物體表現(xiàn)出來的色彩包含了溫度和輻射率的信息。因此，通過對高溫物體顏色系數(shù)的測量，并求解上述方程組，可以同時計算出物體的溫度和輻射率。本發(fā)明方法與現(xiàn)有高溫測量方法相比，由于在測量和計算中已經(jīng)同時考慮了輻射率的求解，因此得出的溫度數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。本發(fā)明所涉及的溫度測量方法適合于物體單色輻射率描述式中有一至二個待定常數(shù)的物體的高溫溫度測量。由于本發(fā)明通過物體因自身高溫(600℃以上)發(fā)光而產(chǎn)生的顏色，采用計算機自動求解計算出物體的溫度，在技術(shù)上真正實現(xiàn)了“辨色知溫”，而且不僅可測得特定點的溫度，還能給出某一高溫區(qū)域的溫度分布；由于在計算時已經(jīng)同時自動考慮了物體輻射率的求解，因此得出的溫度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。采用本發(fā)明方法可直接測量發(fā)光物體的溫度分布，這是現(xiàn)有測溫方法難以辦到的；本發(fā)明通過攝取高溫物體彩色影像，能提供全面、完整的測量信息，這是即使采用多臺單點測溫儀也難以達到的；本發(fā)明與現(xiàn)有光學(xué)高溫計、輻射測溫儀等輻射測溫技術(shù)相比，具有全場測量之特點；與熱像儀相比，具有價格低、使用方便和圖象符合人類視覺習(xí)慣等特點；本發(fā)明可通過計算機將計算出的溫度按適當(dāng)方式(如等溫線、等溫色等)直接顯示在計算機的屏幕上或輸出到其它裝置上去，其計算結(jié)果的顯示具有直觀性和完整性，計算結(jié)果的輸出具有極大的方便性。與現(xiàn)有測溫方法相比，本發(fā)明的兩個突出特點是(1)采用本發(fā)明方法構(gòu)造出的測溫裝置，涉及物體高溫發(fā)光光譜所表現(xiàn)出來的顏色來對應(yīng)相應(yīng)的溫度，故無須標(biāo)定；(2)采用本發(fā)明方法，可通過彩色攝像機或彩色照相機，將高溫物體彩色影像記錄在錄像帶或和彩色照片上后再進行計算測溫，這種測量的操作形式簡單，容易實施，尤其在照相機和攝像機十分普及的條件下，使測溫變得十分簡便，而且可方便地實現(xiàn)“異地測量”。采用本發(fā)明方法，若將彩色三基色適當(dāng)擴展到多基色，還可解決含有兩個以上待定參數(shù)的單色輻射率表達式之高溫物體的溫度及其分布之準(zhǔn)確測量。下面結(jié)合實施例進一步描述實施例1為采用本發(fā)明方法的一種直接測量實施方式。附圖2為使用本發(fā)明方法所構(gòu)造的一種測量裝置的總體結(jié)構(gòu)圖。彩色CCD攝像機2(IVC-83PN)攝取高溫物體1的彩色影像視頻信號，送到彩色圖象采集卡3，該彩色圖象采集卡3可采用(VIDEOPLUS)成品，插在計算機4(PC/486)的擴展槽中。視頻信號經(jīng)圖象采集卡3數(shù)字化后存入DRAM中，同時采集卡3又把DRAM中的數(shù)字視頻信號經(jīng)由顯示卡輸出至計算機4的顯示器中，在屏幕上形成高溫物體1的彩色可視影像。然后再進行下面的操作第一步就上述在計算機顯示器屏幕上的高溫物體彩色影像，其組成畫面的每個彩色象素點均可分解出紅、綠、藍三種基色的色系數(shù)。記某個被采集的彩色象素點的色系數(shù)為FR、FG、FB；第二步查閱有關(guān)文獻資料，對所測量物體給出其輻射率表達式，注意該表達式中的未知參數(shù)不得多于2個。例如對發(fā)光火焰，其單色輻射率表達式可由汽車工程師學(xué)會文獻[SAEPaper790491(1979)]查得，εfλ＝1-exp(-KL/λα)，式中εfλ為發(fā)光火焰的單色輻射率，KL為待定參數(shù)，α＝138。然后給出待定參數(shù)和溫度的初始值，依據(jù)下式求解高溫物體顏色色系數(shù)的計算值，R=∫380780r(λ)ϵλC1λ5[exp(C2λT)-1]dλ]]>G=∫380780g(λ)ϵλC1λ5[exp(C2λT)-1]dλ]]>B=∫380780b(λ)ϵλC1λ5[exp(C2λT)-1]dλ]]>式中，R，G，B--分別為紅、綠、藍色系數(shù)；r(λ)，g(λ)，b(λ)--為國際照明委員會(CIE)統(tǒng)一規(guī)定的分布色系數(shù)函數(shù)；ελ--物體單色輻射率；C1，C2--普朗克第一、第二常數(shù)；λ--波長，μm；T--絕對溫度，K。第三步將三基色的測量值FR、FG、FB與計算值R、G、B分別進行線性歸一化處理，得三基色單位向量fB、fG、fB和fr、fg、fb值，然后用最小二乘法進行處理，就可將該像素點所表現(xiàn)出來的溫度或輻射率數(shù)據(jù)計算出來。第四步將溫度或輻射率計算值顯示在屏幕上，或輸出到其它裝置上。然后再對下一個像素點重復(fù)上述同樣的操作和計算，直至完成對高溫物體彩色影像溫度或輻射率的全部計算，得到物體的溫度場或輻射率場。也可采取選點計算的方式，操作步驟同上。一幅畫面計算完成后，再進行下一幅畫面的高溫物體溫度或輻射率及其分布的計算。由此完成彩色攝像溫度測量的全過程。采用本實施例的直接測量方式對一具體黑體溫度的測量如下將黑體輻射源置于附圖中高溫物體的位置，分別給出不同的黑體溫度，得到測量數(shù)據(jù)列于下表</tables>上表中的測量誤差，可以通過計算程序的改進，達到所要求的測量精確度范圍。實施例2是采用本發(fā)明方法進行異地間接測量的一種實施方式。附圖3為使用本發(fā)明方法所構(gòu)造的另一種測量裝置的總體結(jié)構(gòu)圖。這里的彩色攝像設(shè)備采用照相機5(OLYMPUS)，拍攝下高溫物體1的彩色照片6，彩色圖象掃描儀7將高溫物體1的彩色照片6讀入到計算機4中；或者采用攝像機5，將高溫物體1的變化彩色影像拍攝下來，并記錄到錄像帶6上，然后用放像機7將攝錄的影像輸入給安裝在計算機4擴展槽中的圖象采集卡3。得到的高溫物體彩色影像6的數(shù)字信號，經(jīng)由顯示卡輸出至計算機4的顯示器中，在屏幕上形成高溫物體1的彩色可視影像。然后再進行上述從第一步到第四步的操作步驟，完成對高溫物體溫度及其分布的測量。采用本實施例2的間接測量方式對一火焰溫度的具體測量實例如下采用附圖3所示的測量裝置，將一自由狀態(tài)下燃燒的柴油火焰1，先拍攝成彩色照片6，然后用彩色圖片掃描儀7將彩色照片6掃描到計算機4中，取火焰照片中的不同測點，獲得測量數(shù)據(jù)列于下表火焰溫度的測量</tables>權(quán)利要求1.一種基于彩色三基色測量高溫發(fā)光物體溫度及其分布的方法，其特征在于通過攝像設(shè)備攝取物體因自身高溫發(fā)光形成的彩色影像，將該彩色影像數(shù)字化后輸入計算機，計算機依據(jù)所編制的計算程序，就其影像顏色所提供的三基色色系數(shù)測量數(shù)據(jù)，直接計算出物體的溫度、輻射率及其分布；所述攝像設(shè)備為彩色攝像機或彩色照相機；所述彩色影像數(shù)字化，可直接采用數(shù)字式彩色攝像機，或?qū)⒉噬珨z像機攝取的高溫物體彩色影像信息直接送往圖像采集卡，或?qū)⒉噬珨z像機攝取的高溫物體彩色影像信息存儲在錄像磁帶上再通過彩色放像機將影像放送到圖像采集卡、或采用照相機攝取高溫物體彩色照片通過彩色圖像掃描儀對彩色照片進行掃描輸入來實現(xiàn)；所述編制的計算程序為凍結(jié)并讀取物體彩色影像中指定彩色像素點的紅、綠、藍三基色之測量色系數(shù)FR、FG、FB；根據(jù)色系數(shù)方程，求出高溫物體色系數(shù)的計算值R、G、B，分別做歸一化處理后，再通過最小二乘法求解該彩色像素點所表現(xiàn)出的溫度數(shù)值；所述色系數(shù)方程為R=∫380780r(λ)ϵλC1λ5[exp(C2λT)-1]dλ]]>G=∫380780g(λ)ϵλC1λ5[exp(C2λT)-1]dλ]]>B=∫380780b(λ)ϵλC1λ5[exp(C2λT)-1]dλ]]>式中C1----普朗克第一常數(shù)；C2----普朗克第二常數(shù)；E(λ，T)----單色輻射強度；T----絕對溫度；ελ----單色輻射率；λ----波長；R，G，B----分別為紅、綠、藍色系數(shù)；r(λ)、g(λ)、b(λ)----為國際照明委員會(CIE)統(tǒng)一規(guī)定的分布色系數(shù)函數(shù)。2.一種基于彩色三基色通過計算機實現(xiàn)彩色攝像溫度及其分布的測量方法，其特征在于采取如下操作步驟(1)將數(shù)字化后的物體高溫彩色影像信信號輸入計算機；(2)對物體高溫彩色影像畫面施行凍結(jié)，讀取構(gòu)成物體彩色影像中某一指定像素點的紅、綠、藍三基色之測量色系數(shù)FR、FG、FB；(3)將含有一個或兩個待定參數(shù)的物體單色輻射率之表達式和普朗克輻射定律代入色系數(shù)方程，給出待定參數(shù)和溫度的初始值，得到高溫物體色系數(shù)的計算值R、G、B；(4)將測量所得色系數(shù)FR、FG、FB和計算所得色系數(shù)R、G、B分別做線性歸一化處理，得三基色單位向量fR、fG、fB和fr、fg、fb，然后輸入最小二乘法處理程序，求解出指定像素點的溫度值；(5)重復(fù)(2)→(4)之過程，即可由所攝物體因高溫表現(xiàn)出的彩色影像之色系數(shù)數(shù)據(jù)，通過逐點求解計算，得到物體溫度分布場。全文摘要本發(fā)明公開一種由物體高溫發(fā)光顏色測量其溫度及其分布的方法,采用數(shù)字式彩色攝像機,或模擬式彩色攝像機和圖象采集卡,或照相機和彩色圖片掃描儀,或彩色攝放像機、錄像帶和圖像采集卡,將所攝高溫物體彩色影像數(shù)字化后輸入計算機,對彩色像素點依據(jù)三基色原理讀出相應(yīng)色系數(shù),給出物體單色輻射率表達式和溫度及待定參數(shù)初始值,依據(jù)色系數(shù)方程求解高溫物體發(fā)光顏色之色系數(shù),用最小二乘法求解溫度數(shù)據(jù),結(jié)果可顯示、打印、或作為控制信號。文檔編號G01K11/00GK1190185SQ9710095公開日1998年8月12日申請日期1997年2月3日優(yōu)先權(quán)日1997年2月3日發(fā)明者程曉舫,吳建華,王瑞芳申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)