专利名称：：基于彩色三基色测量高温发光物体温度及其分布的方法
技术领域：
：本发明涉及根据高温发光物体之颜色，采用计算机进行温度及其分布测量的方法。对于符合普朗克辐射定律的物体，当其自身温度超过600℃以上高温后，就会发出肉眼可见颜色的光线，随着温度的升高，色彩会由暗红色向黄色、再向赤白色变化。根据物体自身因高温发光所表现出来的颜色，有经验的工人师傅可以估计物体的大致温度。现有对高温温度的测量，通常采用非接触式的辐射测温技术。如光学高温计，其所测温度为0.66微米波长下的亮度温度，并需要根据该波长下物体单色辐射率之数据作出修正后才能得到物体的真实温度；再如英国欧米茄技术公司生产的OS-900系列红外测温仪，接收的是物体在红外区域发射的热辐射，同样也要知道物体辐射率的数据进行校正，才能准确获得物体的真实温度；上述两种温度测量技术的共同缺陷是物体辐射率数据要由测试者根据情况来选择确定，带有一定主观性，因此往往因给不准确而造成误差，对专业测量人员尚且如此，对非专业测量人员来说则更加困难；另外现有测量方法往往仅能对物体某一极小区域的辐射做出测量。日本生产的TVS-2000ST系列热像仪，虽可对物体的辐射分布进行测量，但为了取得温度分布的准确数据，仍然需要给出物体的辐射率数据进行校正。事实上，由于物体辐射率是物体温度和波长的函数，当物体存在着温度分布时，其辐射率也同样存在着分布，但热像仪却只能根据给定的某一个辐射率数据，对全场的温度分布测量数据作出一种修正，其准确性受到很大的限制。值得指出的是采用上述各种辐射测温技术，直接测得的仅仅是物体的辐射强度，而不能对物体的辐射率直接做出测量，所说用以校正温度的辐射率数据必须以另外的方式给出，因而往往因选择不配套或不准确而造成误差。此外，上述各种辐射测温技术，均需进行温度标定，通过标定建立起测量仪器的输出值与辐射强度之间的相互关系。本发明提供一种基于彩色三基色测量高温发光物体温度及其分布的方法，对于符合普朗克辐射定律的高温物体，根据它的发光颜色，采用计算机自动计算物体的温度或辐射率，从而避免现有辐射测温技术往往因物体辐射率数据的未知或估计不准确而造成温度测量的误差；同时这种测量和计算可对组成高温物体彩色影像的各像素点逐点进行，从而可得到物体的温度或辐射率的分布。这种基于彩色三基色测量高温发光物体温度及其分布的方法，其特征在于通过摄像设备摄取物体因自身高温发光形成的彩色影像，将该彩色影像数字化后输入计算机，计算机依据所编制的计算程序，就其影像颜色所提供的三基色色系数测量数据，直接计算出物体的温度、辐射率及其分布；所述摄像设备为彩色摄像机或彩色照相机；所述彩色影像数字化，可直接采用数字式彩色摄像机、或将彩色摄像机摄取的高温物体彩色影像信息直接送往图像采集卡、或将彩色摄像机摄取的高温物体彩色影像信息存储在录像磁带上再通过彩色放像机将影像放送到图像采集卡、或采用照相机摄取高温物体彩色照片通过彩色图像扫描仪对彩色照片进行扫描输入来实现；所述编制的计算程序为冻结并读取物体彩色影像中指定彩色像素点的红、绿、蓝三基色之测量色系数FR、FG、FB；根据色系数方程，求出高温物体色系数的计算值R、G、B，分别做归一化处理后，再通过最小二乘法求解该彩色像素点所表现出的温度数值；所述色系数方程为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----普朗克第一常数；C2----普朗克第二常数；E(λ，T)----单色辐射强度；T----绝对温度；ελ----单色辐射率；λ----波长；R，G，B----分别为红、绿、蓝色系数；r(λ)、g(λ)、b(λ)——为国际照明委员会(CIE)统一规定的分布色系数函数。本发明基于彩色三基色通过计算机实现彩色摄像温度及其分布的测量方法，其特征在于采取如下操作步骤(1)将数字化后的物体高温彩色影像信号输入计算机；(2)对物体高温彩色影像画面施行冻结，读取构成物体彩色影像中某一指定像素点的红、绿、蓝三基色之测量色系数FR、FG、FB；(3)将含有一个或两个待定参数的物体单色辐射率之表达式和普朗克辐射定律代入色系数方程，给出待定参数和温度的初始值，得到高温物体色系数的计算值R、G、B；(4)将测量所得色系数FR、FG、FB和计算所得色系数R、G、B分别做线性归一化处理，得三基色单位向量fR、fG、fB和fr、fg、fb，然后输入最小二乘法处理程序，求解出指定像素点的温度值；(5)重复(2)→(4)之过程，即可由所摄物体因高温表现出的彩色影像之色系数数据，通过逐点求解计算，得到物体温度分布场。所述物体单色辐射率表达式可查阅有关文献资料获得。例如对发光火焰，其单色辐射率表达式可由汽车工程师学会文献[SAEPaper790491(1979)]查得εfλ＝1-exp(-KL/λα)式中εfλ为发光火焰的单色辐射率；KL为待定参数；α＝1.38。附图1是本发明所使用的计算机彩色温度测量计算程序的流程图。本发明测量方法依据的是如下原理对一般物体，其辐射及其分布由普朗克定律描述E(λ,T)=ϵλC1λ5[exp(C2λT)-1]]]>式中C1----普朗克第一常数；C2----普朗克第二常数；E(λ，T)----单色辐射强度；T----绝对温度；ελ----单色辐射率；λ----波长。上式给出物体辐射的光谱分布。在可见光范围内，这种光谱分布表现为视觉上的色彩效果。另一方面，物体的色彩可以通过彩色三基色原理来复现，这是彩色摄像机、彩色电视机和彩色扫描仪的工作原理。面对一幅高温物体的彩色影像，其三基色的色系数可由下列方程组来计算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分别为红、绿、蓝色系数；r(λ)、g(λ)、b(λ)为国际照明委员会(CIE)统一规定的分布色系数函数。一般物体因自身高温辐射所表现出来的色彩，取决于物体的辐射光谱。反过来，高温物体表现出来的色彩包含了温度和辐射率的信息。因此，通过对高温物体颜色系数的测量，并求解上述方程组，可以同时计算出物体的温度和辐射率。本发明方法与现有高温测量方法相比，由于在测量和计算中已经同时考虑了辐射率的求解，因此得出的温度数据更加准确。本发明所涉及的温度测量方法适合于物体单色辐射率描述式中有一至二个待定常数的物体的高温温度测量。由于本发明通过物体因自身高温(600℃以上)发光而产生的颜色，采用计算机自动求解计算出物体的温度，在技术上真正实现了“辨色知温”，而且不仅可测得特定点的温度，还能给出某一高温区域的温度分布；由于在计算时已经同时自动考虑了物体辐射率的求解，因此得出的温度数据准确可靠。采用本发明方法可直接测量发光物体的温度分布，这是现有测温方法难以办到的；本发明通过摄取高温物体彩色影像，能提供全面、完整的测量信息，这是即使采用多台单点测温仪也难以达到的；本发明与现有光学高温计、辐射测温仪等辐射测温技术相比，具有全场测量之特点；与热像仪相比，具有价格低、使用方便和图象符合人类视觉习惯等特点；本发明可通过计算机将计算出的温度按适当方式(如等温线、等温色等)直接显示在计算机的屏幕上或输出到其它装置上去，其计算结果的显示具有直观性和完整性，计算结果的输出具有极大的方便性。与现有测温方法相比，本发明的两个突出特点是(1)采用本发明方法构造出的测温装置，涉及物体高温发光光谱所表现出来的颜色来对应相应的温度，故无须标定；(2)采用本发明方法，可通过彩色摄像机或彩色照相机，将高温物体彩色影像记录在录像带或和彩色照片上后再进行计算测温，这种测量的操作形式简单，容易实施，尤其在照相机和摄像机十分普及的条件下，使测温变得十分简便，而且可方便地实现“异地测量”。采用本发明方法，若将彩色三基色适当扩展到多基色，还可解决含有两个以上待定参数的单色辐射率表达式之高温物体的温度及其分布之准确测量。下面结合实施例进一步描述实施例1为采用本发明方法的一种直接测量实施方式。附图2为使用本发明方法所构造的一种测量装置的总体结构图。彩色CCD摄像机2(IVC-83PN)摄取高温物体1的彩色影像视频信号，送到彩色图象采集卡3，该彩色图象采集卡3可采用(VIDEOPLUS)成品，插在计算机4(PC/486)的扩展槽中。视频信号经图象采集卡3数字化后存入DRAM中，同时采集卡3又把DRAM中的数字视频信号经由显示卡输出至计算机4的显示器中，在屏幕上形成高温物体1的彩色可视影像。然后再进行下面的操作第一步就上述在计算机显示器屏幕上的高温物体彩色影像，其组成画面的每个彩色象素点均可分解出红、绿、蓝三种基色的色系数。记某个被采集的彩色象素点的色系数为FR、FG、FB；第二步查阅有关文献资料，对所测量物体给出其辐射率表达式，注意该表达式中的未知参数不得多于2个。例如对发光火焰，其单色辐射率表达式可由汽车工程师学会文献[SAEPaper790491(1979)]查得，εfλ＝1-exp(-KL/λα)，式中εfλ为发光火焰的单色辐射率，KL为待定参数，α＝138。然后给出待定参数和温度的初始值，依据下式求解高温物体颜色色系数的计算值，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--分别为红、绿、蓝色系数；r(λ)，g(λ)，b(λ)--为国际照明委员会(CIE)统一规定的分布色系数函数；ελ--物体单色辐射率；C1，C2--普朗克第一、第二常数；λ--波长，μm；T--绝对温度，K。第三步将三基色的测量值FR、FG、FB与计算值R、G、B分别进行线性归一化处理，得三基色单位向量fB、fG、fB和fr、fg、fb值，然后用最小二乘法进行处理，就可将该像素点所表现出来的温度或辐射率数据计算出来。第四步将温度或辐射率计算值显示在屏幕上，或输出到其它装置上。然后再对下一个像素点重复上述同样的操作和计算，直至完成对高温物体彩色影像温度或辐射率的全部计算，得到物体的温度场或辐射率场。也可采取选点计算的方式，操作步骤同上。一幅画面计算完成后，再进行下一幅画面的高温物体温度或辐射率及其分布的计算。由此完成彩色摄像温度测量的全过程。采用本实施例的直接测量方式对一具体黑体温度的测量如下将黑体辐射源置于附图中高温物体的位置，分别给出不同的黑体温度，得到测量数据列于下表</tables>上表中的测量误差，可以通过计算程序的改进，达到所要求的测量精确度范围。实施例2是采用本发明方法进行异地间接测量的一种实施方式。附图3为使用本发明方法所构造的另一种测量装置的总体结构图。这里的彩色摄像设备采用照相机5(OLYMPUS)，拍摄下高温物体1的彩色照片6，彩色图象扫描仪7将高温物体1的彩色照片6读入到计算机4中；或者采用摄像机5，将高温物体1的变化彩色影像拍摄下来，并记录到录像带6上，然后用放像机7将摄录的影像输入给安装在计算机4扩展槽中的图象采集卡3。得到的高温物体彩色影像6的数字信号，经由显示卡输出至计算机4的显示器中，在屏幕上形成高温物体1的彩色可视影像。然后再进行上述从第一步到第四步的操作步骤，完成对高温物体温度及其分布的测量。采用本实施例2的间接测量方式对一火焰温度的具体测量实例如下采用附图3所示的测量装置，将一自由状态下燃烧的柴油火焰1，先拍摄成彩色照片6，然后用彩色图片扫描仪7将彩色照片6扫描到计算机4中，取火焰照片中的不同测点，获得测量数据列于下表火焰温度的测量</tables>权利要求1.一种基于彩色三基色测量高温发光物体温度及其分布的方法，其特征在于通过摄像设备摄取物体因自身高温发光形成的彩色影像，将该彩色影像数字化后输入计算机，计算机依据所编制的计算程序，就其影像颜色所提供的三基色色系数测量数据，直接计算出物体的温度、辐射率及其分布；所述摄像设备为彩色摄像机或彩色照相机；所述彩色影像数字化，可直接采用数字式彩色摄像机，或将彩色摄像机摄取的高温物体彩色影像信息直接送往图像采集卡，或将彩色摄像机摄取的高温物体彩色影像信息存储在录像磁带上再通过彩色放像机将影像放送到图像采集卡、或采用照相机摄取高温物体彩色照片通过彩色图像扫描仪对彩色照片进行扫描输入来实现；所述编制的计算程序为冻结并读取物体彩色影像中指定彩色像素点的红、绿、蓝三基色之测量色系数FR、FG、FB；根据色系数方程，求出高温物体色系数的计算值R、G、B，分别做归一化处理后，再通过最小二乘法求解该彩色像素点所表现出的温度数值；所述色系数方程为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----普朗克第一常数；C2----普朗克第二常数；E(λ，T)----单色辐射强度；T----绝对温度；ελ----单色辐射率；λ----波长；R，G，B----分别为红、绿、蓝色系数；r(λ)、g(λ)、b(λ)----为国际照明委员会(CIE)统一规定的分布色系数函数。2.一种基于彩色三基色通过计算机实现彩色摄像温度及其分布的测量方法，其特征在于采取如下操作步骤(1)将数字化后的物体高温彩色影像信信号输入计算机；(2)对物体高温彩色影像画面施行冻结，读取构成物体彩色影像中某一指定像素点的红、绿、蓝三基色之测量色系数FR、FG、FB；(3)将含有一个或两个待定参数的物体单色辐射率之表达式和普朗克辐射定律代入色系数方程，给出待定参数和温度的初始值，得到高温物体色系数的计算值R、G、B；(4)将测量所得色系数FR、FG、FB和计算所得色系数R、G、B分别做线性归一化处理，得三基色单位向量fR、fG、fB和fr、fg、fb，然后输入最小二乘法处理程序，求解出指定像素点的温度值；(5)重复(2)→(4)之过程，即可由所摄物体因高温表现出的彩色影像之色系数数据，通过逐点求解计算，得到物体温度分布场。全文摘要本发明公开一种由物体高温发光颜色测量其温度及其分布的方法,采用数字式彩色摄像机,或模拟式彩色摄像机和图象采集卡,或照相机和彩色图片扫描仪,或彩色摄放像机、录像带和图像采集卡,将所摄高温物体彩色影像数字化后输入计算机,对彩色像素点依据三基色原理读出相应色系数,给出物体单色辐射率表达式和温度及待定参数初始值,依据色系数方程求解高温物体发光颜色之色系数,用最小二乘法求解温度数据,结果可显示、打印、或作为控制信号。文档编号G01K11/00GK1190185SQ9710095公开日1998年8月12日申请日期1997年2月3日优先权日1997年2月3日发明者程晓舫,吴建华,王瑞芳申请人:中国科学技术大学