专利名称：热成象系统用便携式图象处理装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及热成像系统用的图像处理装置，尤其是适宜于工业上用的便携式红外热像仪用的图像处理装置，它可用于冶金、电力、石化、能源、电子、航空和交通等技术领域，进行温度的检测和故障诊断，例如用于工业回转窑窑壁耐火材料受侵蚀程度的故障诊断。
已有的红外热像仪分为台式和便携式两种，通常，台式用于目标固定的场所，便携式用于不固定或多目标的场所。但是，在工业上一般以便携式热像仪的应用为主。
一般的便携式红外热像仪其结构如
图1所示，它由摄像和图像处理两大部分组成，第一部分为摄象部分，它是由摄像头、控制器、监示器和磁记录等部分组成的可携带部分;第二部分为图象处理部分，它是由磁记录信号输入装置，图像处理计算机和监示器等部分组成的固定部分。通常，第一部分可携带到工业现场摄取图像，而第二部分可完成由可携带部分摄取的图像的处理工作。由此可见，这种结构的便携式红外热像仪无现场处理图像的功能，因此不适应在工业生产现场进行工业生产过程的自动监测和故障的自动诊断的要求。
由美国专利U.S.P4854724公开的一种图像处理装置，其结构可参见图2，该装置是由热源、摄像头、控制器、记录器、电子增强器、彩色监示器、图像分析和黑白监示器组成，这种装置所测对象必须是平面。而本发明装置的组成结构如图3所示，它是由接口板和便携式计算机(包括主机计算机、显示器、命令输入键盘、软盘和硬盘驱动器)组成，并且接口板安置在便携机的扩展槽内，从外表上看该装置只有一个部件。本装置所测的对象既可以是平面，也可是旋转的柱面。因此，从结构上看，本发明所设计的装置与上述美国专利相比具有以下的特点〔1〕组成部件少、体积小、便于携带。
〔2〕不用热源、直接利用对象的热辐射。
〔3〕配上不同类型的摄像头，可形成不同类型的热像仪，如红外热像仪或红外在线温度检测仪。
〔4〕用计算机显示器兼作图像监示器，因此减少了部件，缩小了体积。
〔5〕图像记录采用软盘和硬盘，体积小。
〔6〕计算机采用通用的便携式计算机，可完成整个装置的控制，图像的处理、显示，命令的输入，图像的传送，输出，文件的管理等功能，因此功能性强。
其次，本发明装置的工作原理与上述美国专利是不同的。
上述美国专利的工作原理是见图2，由热源对被测表面的工作面进行加热，使其温度提高到临界状态;由红外扫描器11的摄像头对其表面进行扫描，产生相应的温度-电信号;由控制器将得到的温度-电信号转换成与电视信号相兼容的图像信号，然后送入录象机17，对图像信号进行记录;录相机的输出一方面可送入图像分析部件16，再送入黑白监示器15进行图像的黑白显示;另一方面可送入电子增强部件18，然后送入彩色监示器19进行图像的彩色显示;对接点质量的检查是由观查者在监示器上对图像进行观查进行的。
本发明装置的工作原理可参见图3，由摄像头输出的红外信号送入接口板，接口板在主机的控制下完成A/D转换和将转换的数字信号送入主机;由主机根据外部输入的命令，完成图像文件管理、图像处理、图像输出等功能，并将结果在计算机的显示器上进行显示，再由主机控制打印机，打印输出彩色图像。
与上述美国专利相比，本发明的装置在图像处理功能上还设置了一些特有的功能，其中包括图像滤波，图像边缘的增强，灰度增强，直方图，等温分布，图像比较，图像拼接，裁剪和区域分析等图像处理功能，除此之外还配置了其它的图像输入和输出等功能。图4表示本发明装置的图像处理系统的结构示意图。
因此，本发明与现有技术，如美国专利USP4854724相比，在结构特征，工作原理以及图像处理功能上有明显的不同。本发明装置将更适用于多种工业目标的温度检测和故障诊断，而且本装置所测目标既可以是平面的，也可以是旋转柱面，还可以是不规则的目标;可以直接接收目标的热辐射、不用热源;用计算机显示器兼作图像监示器;采用通用软盘和硬盘记录图像;配有彩色打印机作图像硬拷贝装置;还具有图像处理功能以及整体结构体积小，部件少和便于携带，工业现场检测和诊断等优点。
本发明的目的在于提供一种工业热成像系统用便携式图象处理装置，这种装置组成部件少、体积小、不用热源而直接利用被测件的热辐射、既可测量平面又可测量旋转柱面及不规则的目标;还具有测温范围宽、灵敏度和分辨率高、非接触测量的优点，能在不影响生产的情况下实现在线测量以及准确及时地反映目标的整体温度分布情况本发明的目的还在于提供配有先进的图像处理功能，能实现工业过程的自动监测和故障的自动分析的图像处理装置。
本发明所设计的装置是为工业现场使用而考虑设计的，因此要考虑到现场使用的种种条件和困难，即工业现场目标的分散、环境条件的恶劣，测试空间的限制等条件。为了缩小该装置的体积，使其外观只有一台便携计算机那样大小，这就需要设计出体积很小的硬件接口板，以便将其插入便携计算机内很小的空间内;另外，工业目标的温度变化范围宽，可从几十度到上千度，而且测量目标广泛，例如有平面，柱面及其他不规则形状的电器开关，输电线路，机械设备和各种窑炉，这就要求装置具有很宽的测温范围，同时对各种目标的测试又不失其测温精度，这将需要进行专门的变换量程的设计和定标。其次，本发明装置还要求具有强的图像处理功能，并在现场就能完成各种功能的处理，自动消除各种影响和及时报告处理结果，在出现异常情况和故障时能及时报警。对此，本发明装置均能实现上述诸要求。
本发明的图像处理装置由包括接口板的便携机扩展槽和便携式计算机两部分组成，便携式计算机包括主机、计算机显示器、命令输入及软硬磁盘。其中接口板由程控放大器、译码器、A/D转换、D/A转换和单片机控制器组成。
下面将结合附图对本发明装置的结构和工业原理以及接口板的特点作进一步的描述。
图1表示一般便携式红外热像仪工作原理示意图。
图2表示已有技术美国专利所描述装置的工作原理图。
图3表示本发明的图像处理装置的工作示意图。
图4表示图3中图像处理装置的接口板结构示意图。
图4A为热像仪接口板板面布置示意图。
图4B为图4所述接口板的印刷线路示意图。
图5表示图4所示接口板中单片机控制流程图。
图6为图像处理系统结构的示意图。
图7为水泥窑局部窑壁的标准热象图。
图8为图7同一位置的有故障的热象9-13分别为图4B中各区的放大图。
由图3可见，本发明的图像处理装置由接口板、便携式主机，计算机显示器，命令输入，软硬磁盘等部件组成。其中，接口板插入便携式主机内的扩展槽里，即图上用虚线表示的左侧称为便携机扩展槽的框内，由其余的显示器，命令输入，软硬磁盘构成通用便携式计算机;另外，该装置可接彩色打印机作输出图像用;该装置在使用时需外接红外热摄像头(如图3所示)，通常这种红外热摄像头是光电转换装置，它将目标辐射的红外温度信息转换成相应的电信号，它输出红外信号，场同步信号，行同步信号和接地信号，这些信号被分别接入接口板的输入端。
该装置与彩色打印机的连接，用于彩色图像的打印输出，以便为使用者提供具有永久保留价值的硬拷贝。
本发明装置的工作原理是由摄像头摄取目标的热图像信息，该信息为模拟信号，送至本装置插在便携机内的硬件接口电路进行A/D转换，接口电路的输出送入计算机，并由程序控制直接送入显示器进行显示，输入的图像可以存盘，对输入的图像或已有的图像可直接作处理，处理的结果也由显示器显示，当存在故障与异常情况时，计算机能发声报警。输入的图像或已有的图像在主机的控制下由彩色打印机打出。
下面将对本发明装置的接口板作进一步说明。本装置的接口板的结构见图4，它是由程控放大器，译码器、A/D转换，D/A转换和单片机控制器等几部分组成。其特征是除了其所具有的性能和特点外，整块板设计成很小体积可以很容易地插在便携机的有限空间内，使得该装置从外形上看只有便携机整机大小。
其中，程控放大器是用来对输入信号段放大的装置。由于工业对象中，各个目标的温度基值和温度范围是不相同的，为保证测量精度，对任何目标都应满量程测量，这就要求系统具有换档的功能，程控放大器就是为满足这一功能设计的。放大器的正端接地，负端接摄像头输出的热图像信号和D/A转换的输出，D/A转换的输出是计算机送出的基准温度-电压值，这种接法经放大后，与软件配合就去除了目标的背景温度。程控放大器的放大倍数由设置开关器件的电阻并联网络来决定，由程序控制开关器件的开通来决定并联电阻的阻值，以此来改变放大倍数。
其中，单片控制器用来完成对A/D转换，D/A转换和程控放大器的控制以及与主机进行数据通讯。采用程序控制方式，从主机读入基准温度-电压值和放大倍数，控制D/A转换将基准温度-电压值送入程控放大器的输入端，控制开关电路，设置放大倍数;从主机接收命令，控制A/D转换;将A/D转换的输出送入主机。由于A/D转换的数字图像要与摄像机同步地在计算机上显示，这就要求控制器的速度要快，控制程序要短。本装置中由于采用了程序控制，减少了硬件;同时单片机中又包含A/D和D/A转换，因此硬件接口板所用器件数就减少，体积随之也缩小，从而使得整个接口板可以安放在便携机内。
图4为本发明装置的硬件接口示意图。其工作原理是由单片机控制器控制D/A转换，将温度-电压值变成模拟信号送入程控放大器的输入端，去掉背景温度;由单片机控制信号来控制与电阻串联的开关电路，来决定反馈电阻的阻值，以此来设置放大倍数;单片机控制器接收程控放大器的输出，控制A/D转换，向主机传送数字信号，单片机的工作受到主机的控制，从主机接收控制参数和向主机输送数字图像数据。
下面再结合图4A和图4B所示的热像仪接口板的板面布置以及印刷线路图对程控放大器，单片机控制器，译码器以及接口板的工作进行说明。
接口板的板面布置如图4A所示，其中U1为8098单片机、U2为74LS373三态门、U3为74LS1383-8译码器，U4为276464K可擦存储器(EPRAM)，U7为74LS244三态门、U8为74LS308输入与非门，U9为LM348运算放大器，U6为74LS32或门，U13为4052多路选择器，U10A、U10B非门。
接口板以8098单板机为核心，主要完成输入信号的放大、A/D转换和输出等功能。
前述的程控放大器用于将输入信号进行分段放大，以满足热像仪改变量程的需要，它由图4A中的U9和U13(见图48)组成，其中U9A是第一级放大，由XO输入不同的值可以设置程控放大器的偏移量，通常情况下，由XO输入背景温度;U9B与U13(见图4B)组成第二级放大，该级的放大倍数是可变的，通过设置X1和X2，可选择接通反馈电阻R21，R22，R23和R24(见图4B)之中的一个，以此来改变放大倍数。X0，X1和X2分别由单片机控制器给出。
单片机控制器用来完成整个接口板的控制，其中包括程控放大器偏移量和放大倍数的控制，A/D、D/A的控制以及信号的输入和输出的控制，所述的控制器由U1，U2和U4(见图4A，4B)组成，其中U1是单片机8098，由它执行控制程序，产生控制信号;U2对数据总线上的数起缓冲作用;U4用于存放单片机控制器的控制程序。
译码器由U3、U6、U10A和U10B组成(见图4A、4B)，用于产生片选信号和有关的控制信号。其中，U3将单片机控制器送出的信号译码产生Y1，Y2和Y3三个信号，再经U6A，U6B和U6C产生状态测试信号STS和ACK以及U7的控制信号G1;由U10A，U10B和U8，U6D产生片选信号CS，用于对U5寻址(见图4B)。
A/D，D/A转换利用U18098单片机内A/D转换器完成。U5为并行接口;J为计算机输入/输出信号插座，P1为接口板输入信号插头，其中1和3分别为场同步和行同步信号，5为图像信号(见图4B)。
下面结合附图4B对接口板的工作原理作进一步的说明。在单片机控制器接收到主机启动命令后，开始复位，执行U4存储器内的控制程序，首先产生控制信号XO，设置程控放大器的偏移量;产生X1和X2，设置程控放大器的放大倍数;然后控制单片机U1内的A/D转换器，进行A/D转换;由控制程序将转换的数字信号送入主机内;由控制程序来控制译码器，产生相应的译码输出;由状态检测信号控制U7，将所需检测的信号从数据总线送入主机内。
本发明装置中所用的接口板具有如下特点1.接口板与软件相配合，可将红外摄像头与通用便携式计算机连接起来组成红外热成像系统。
2.由于使用了单片机，采用软件与硬件相结合的方法，使得接口板体积小，可放入便携机内。
3.程控放大器的设计中采用调偏移量，改变放大倍数，将使由该接口板连成的系统具有改换量程的功能，使系统适应不同测温范围和不同温度分辨率的需要。
4.接口板的控制程序由于设计了延时、滞后等功能，使得接口板在计算机由屏幕的刷新速度有限范围内可与不同帧频的摄像头配合使用，形成不同帧频的热像系统。
5.接口板的装拆不影响计算机本身，无论接口板是否装在机内，计算机都可另做它用，实现了一机多用。
图5为单片机的控制流程图。其中To为背景温度，D为放大倍数。在装置开启后，首先读入背景温度To和放大倍数D，计算出背景温度-电压值，进行D/A转换，送出该电压值，同时根据D值控制开关电路，设置放大倍数;从主机读开启标记，若有，则判断有无场同步信号，有则设场标记，再去读开启标记，若无场同步信号出现，则判断有无行同步信号，有则设行标记，进行A/D转换输出，若无行同步，则直接进行转换;A/D转换结束，则返回判断场同步，若无开启标志，则结束。
这里场同步信号控制一帧图像的结束，行同步信号则控制一行的结束。
本装置的图像处理系统结构由图6所示，它具有如下的图像处理功能图像输入，显示，加注记;图像滤波、直方图显示、边缘增强、灰度增强、图像比较，等温分布、图像拼接，图像剪裁和区域分析;图像文件读出和存储;图像彩色打印输出;修改色标、色码参数，标准色标输入;以及多点1-10点测温，并记录测量点的位置，温度值，显示测量点所在行、列温度分布曲线等。
本发明所述装置的实施例简述如下装置中，由U9和U13组成程控放大器;U1，U2和U4组成单片机控制器，U3，U6，U8，U10组成译码器。其中主机采用便携式286计算机;
显示器为液晶显示器，16级灰度，分辨率640×480;
接口板尺寸10×6cm2，打印机为LQ2500K彩色打印机;
摄像头为HR-3型红外摄像头;
最高温度分辨率0.1℃测温范围0-1000℃，上述的实施装置经实验证明可取得很好的温度状态检测和故障诊断的效果。例如使用上述装置对水泥窑进行故障诊断，该窑长10米，旋转周期15秒，环境温度30℃，标记选择取样孔。通过对测得的标准图象和实际图象的匹配和分析，认为图象右侧存在故障(增值超过阀值)最大温度差32.5℃，喇叭发出声音报警。经现场技术人员检查发现，窑内该处耐火砖有局部剥落现象。因此该装置可以广泛地用于冶金、电力、石化、能源、航空和交通等技术领域。
权利要求
1.一种工业热成像系统用的图像处理装置，它由便携机扩展槽和便携式计算机两部分组成，所说的扩展槽部分包括接口板，所说的计算机部分包括主机、显示器、命令输入，软硬磁盘，其特征是所说的接口板由程控放大器，A/D转换，D/A转换，单片机控制器和译码器组成，其中，程控放大器用来对输入信号分段放大；单片控制器用来对A/D转换，D/A转换和对程控放大器的控制以及与主机进行数据通讯；所说的A/D，D/A转换利用U18098单片机内A/D转换器完成。
2.如权利要求1所说的图像处理装置，其特征是所说的程控放大器由U9和U13组成;所说的单片机控制器由U1、U2、和U4组成;所说的译码器由U3，U6、和U8、U10A和U10B组成。
3.如权利要求1，2所说的图像处理装置，其特征是所说的主机为286计算机;显示器为液晶显示器;打印机为彩色打印机;摄像头为红外摄像头。
全文摘要
本发明涉及一种工业热成像系统用的便携式图像处理装置，它由便携机扩展槽和计算机两部分组成。扩展槽部分包括小型的接口板，它可放在计算机内与计算机接口，所说的接口板包括程控放大器，A/D、D/A转换，单片机控制器和译码器。所说的装置具有整机体积小，可以便携地在工业上对温度进行检测和故障诊断，可广泛地用于冶金、电力、石化、航空和交通等技术领域。
文档编号G01J5/00GK1072776SQ9111087
公开日1993年6月2日 申请日期1991年11月22日 优先权日1991年11月22日
发明者马润津, 夏皓如, 王景中, 曾凡锋 申请人:北方工业大学