摘 要: 在研究了紅外測溫理論的基礎(chǔ)上，通過黑體實驗得到“溫度—像素”和“像素—距離”曲線，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和處理后，建立了一種與距離無關(guān)的紅外圖像型測溫方法,并給出了系統(tǒng)的實際應(yīng)用模型。實驗證明，該模型能夠滿足實際的測溫精度要求。
關(guān)鍵詞: 紅外圖像; 像素值; 距離; 測溫; 模型建立
紅外測溫技術(shù)在國防、航天航空和火災(zāi)監(jiān)控等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。與接觸式測溫方法相比，紅外測溫具有非接觸式測量、測溫范圍廣、響應(yīng)速度快和靈敏度高等優(yōu)點[1]。
1 紅外測溫機(jī)理
物體處于絕對零度以上時, 由于其內(nèi)部帶電粒子的運(yùn)動, 因此物體會以不同波長的電磁波形式向外輻射能量, 波長涉及紫外、可見和紅外光區(qū), 但主要處于紅外光區(qū)內(nèi)。
紅外光是電磁波譜中波長為0.76 μm~1 000 μm的電磁輻射，位于可見光與無線電波之間。紅外光具有與可見光相同的反射、折射、干涉、衍射和偏振等特性，同時具有粒子性。人的眼睛對紅外光不敏感，需要借助于對紅外光敏感的探測器才能接收到紅外光。紅外輻射的本質(zhì)是熱輻射, 熱輻射包括紫外光和可見光輻射，但是波長在0.76 μm~40 μm的紅外輻射熱效應(yīng)最大。
物體的紅外輻射能量大小按其波長的分布, 與其表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此, 通過對物體自身輻射的紅外能量的測量, 便能準(zhǔn)確地測定其表面溫度, 這就是紅外測溫的客觀依據(jù)。
2.2 測溫攝像頭的選取
在紅外圖像測溫系統(tǒng)中，攝像機(jī)的選用十分關(guān)鍵，它直接決定了整個系統(tǒng)的圖像效果。攝像機(jī)主要依據(jù)攝像機(jī)使用環(huán)境（應(yīng)用場合）和攝像機(jī)的相關(guān)主要參數(shù)兩個要素進(jìn)行選用。
紅外圖像測溫系統(tǒng)的攝像頭主要安裝在工廠、變電站和倉庫等地點，要求監(jiān)控范圍大、視野開闊。本文采用黑白工業(yè)監(jiān)控攝像頭，如圖2所示。
3.2 部分源代碼
cvSmooth(image1, image1, CV_MEDIAN, 3, 0, 0, 0);
//中值濾波
cvCvtColor(image1,gray,CV_RGB2GRAY); //灰度化
cvSmooth(image2, image2, CV_MEDIAN, 3, 0, 0, 0);
cvCvtColor(image2,gray1,CV_RGB2GRAY);
cvMinMaxLoc(gray,&MinValue,&MaxValue,&MinLocation,
&MaxLocation); //得到圖像最大、最小像素值
average=cvAvg(gray); //得到圖像平均像素值
s1.Format("%f",MinValue);
s2.Format("%f",MaxValue);
s3.Format("%f",average.val[0]);
s4.Format("%f",T); //T為閾值
m_Edit18.SetSel(0,-1);
m_Edit18.ReplaceSel(s4);
SetDlgItemText(IDC_EDIT17,s5);
cvGetMat(gray,gray_mat,0,0);
F_Gray2Color(gray_mat, color_mat);
//將灰度圖轉(zhuǎn)化為偽彩色圖
cvGetImage(color_mat,color_img);
DrawPicToHDC(color_img,IDC_STATIC_PIC); //顯示圖像
4 紅外圖像測溫模型建立
4.1 溫度與像素值的關(guān)系
本文用黑體做實驗來標(biāo)定溫度與像素的關(guān)系[3]。所謂黑體[4]是指入射的電磁波全部被吸收，既沒有反射，也沒有透射(當(dāng)然黑體仍然要向外輻射)。黑體輻射情況只與其溫度有關(guān),與組成材料無關(guān)。
實驗設(shè)備如圖4所示，由黑體、裝有濾光片的紅外攝像頭和PC組成。
線性擬合模型為：
f(x)=p1×x+p2 Coefficients(with 95% confidence bounds):
p1=0.8113(0.776 7, 0.846)
p2=453.1(448.1, 458.2)
Goodness of fit:
SSE: 84.65 R-square: 0.990 7
Adjusted R-square: 0.990 3 RMSE: 1.962
其中，R-square表示確定系數(shù),正常取值范圍為[0,1]，越接近1，表明方程的變量對y的解釋能力越強(qiáng)。該模型對數(shù)據(jù)擬合較好，此處R-square為0.990 7，說明擬合良好。由此得到溫度和像素值的函數(shù)關(guān)系為：
T=0.811 3p+453.1 (2)
4.2 像素值與距離關(guān)系
像素值會隨著距離的增大而呈現(xiàn)一定規(guī)律的衰減，為找出這一規(guī)律，在同一溫度下,記錄了不同距離下的像素值。實驗采集到的數(shù)據(jù)如表2所示。
線性擬合模型為：
f(x)=p1×x+p2 Coefficients(with 95% confidence bounds):
p1=-0.445 8 (-0.470 1, -0.421 5)
p2=212.1 (207.1, 217.1)
Goodness of fit:
SSE: 241.4 R-square: 0.986 5
Adjusted R-square: 0.985 9 RMSE: 3.474
此處R-square為0.986 5，說明擬合良好。
對每隔10 cm像素改變值取平均值為：
（5+4+4+5+5+5+5+7+3+5+6+4+5+4+3+3+4+0+3+3+13）/21=4.57
結(jié)果表明，距離每增加10 cm，像素值減小約4.57。
4.3 綜合模型設(shè)計
要測量物體的溫度，首先要測得物體紅外圖像的像素值，但實驗測得的像素值并非真實像素值，是隨著距離衰減的。要根據(jù)像素值與距離線性關(guān)系得到真實像素值，然后才能根據(jù)溫度與像素值的線性關(guān)系得到實際溫度值。測得的像素值、真實像素值以及實際溫度三者的關(guān)系如圖7所示。
物體的溫度可通過其紅外溫度圖像的像素值來獲得，但紅外像素值會隨著距離增大而線性衰減。本文應(yīng)用了紅外測溫理論，通過黑體做實驗來標(biāo)定溫度與像素值的關(guān)系以及像素值與距離的關(guān)系，得到了紅外圖像測溫系統(tǒng)的模型,最后把該模型應(yīng)用到實際測溫過程中。實驗證明，該模型能夠滿足實際的測溫精度要求。
參考文獻(xiàn)
[1] 張欽. 紅外測溫儀的工作原理及檢定數(shù)據(jù)處理方法探討[J].計量與測試技術(shù)，2008,35(8):46-47
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[3] 劉強(qiáng).紅外熱成像偽彩色測溫系統(tǒng)設(shè)計[D]. 南京：南京理工大學(xué)，2006.
[4] 李冰,李響,魏臻.實時定標(biāo)紅外測溫法測量海水表面溫度[J].天津理工大學(xué)學(xué)報，2010,26(2):66-69.