一种热红外摄像机内参数标定方法
【专利摘要】一种热红外摄像机内参数标定方法，本发明提供一种适用于热红外立体视觉的8-14μm谱段的热红外摄像机标定系统及方法。热红外立体视觉中的摄像机标定系统由计算机（13）、图像采集卡（12）、热红外摄像机（7）、热红外镜头（9）、标定板组件（5）及恒温加热组件（1）组成。其中恒温加热组件由底板、隔热垫、加热元件（15）、绝缘导热片（18）、加热面板、恒温加热控制器（14）及测温探头（16）组成。本发明采用了恒温加热、表面哑光处理，及选择非金属哑光材料三种措施，可得到均匀一致、无镜面反光、对比度较好的标定板组件热红外图像，有利于角点提取，方便了热红外摄像机内参数标定。本发明适用于热红外立体视觉中的摄像机标定。
【专利说明】一种热红外摄像机内参数标定方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种热红外摄像机内参数标定方法，属于红外计算机视觉【技术领域】。
【背景技术】
[0003]电力行业许多设备都在高温、高压、高速旋转、高电压、大电流的状态下运行，都与热有着密切的关系。在众多的停电事故中，因设备局部过热引起的停电检修时有发生。红外热像仪即热红外摄像机可通过非接触探测红外热量，将其转换生成热图像和温度值，可对发热的故障区域进行分析。
[0004]常规热像检测用一台热红外摄像机，只能测一个平面的热量分布，应用受到限制，如果借鉴可见光下双目或多目视觉的方法，采用多台热红外摄像机同时检测，则可用热红外立体视觉的方法重建待测目标表面三维温度分布。可见光下立体视觉需要对多台摄像机进行内外参数标定，然后再进行三维形貌重建。类似地，热红外立体视觉也需要先对热红外摄像机进行内外参数标定。
[0005]传统的棋盘格标定板无法适用于热红外立体视觉的标定，因为相同材质的黑白单元格在相同温度下的在热红外8-14Mffl谱段带通发射率相似，在热红外面阵传感器上所获热图像上呈现相似的灰度分布，从而无法提取单元格角点坐标以实现热红外立体视觉标定。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是，针对传统的棋盘格标定板无法适用于热红外立体视觉标定的问题，提供一种适用于热红外立体视觉的8-14Mffl谱段的热红外摄像机标定板的制作方法。该制作方法能够满足热红外面阵传感器的内外参数的提取要求，解决热红外立体视觉的标定问题。
[0007]本发明的技术方案是这样来实现的:
本发明一种热红外摄像机内参数标定方法包括以下步骤:
(1)将标定板组件下表面与恒温加热组件中的加热面板紧密贴合；开启恒温加热组件，设定温度T ;等待一定时间后，达到预定温度T ；
(2)固定安放配有热红外镜头的热红外摄像机，使其光轴垂直于标定板组件，且光轴与标定板组件的交点与标定板组件中心重合，热红外镜头中心到标定板组件的垂直距离为V ;摄像机BNC接口通过同轴电缆联接到图像采集卡BNC接口，图像采集卡插入计算机的PCI插槽，安装好驱动程序并开启热红外摄像机后，在计算机中获取标定板组件的实时热红外灰度图像；标定板组件上的金属与非金属小方块温度不同，且金属与非金属材料的发射率不一样，因此标定板组件的实时热红外灰度图像类似国际象棋棋盘形状，即黑白单元格整齐排列的分布；由热红外镜头的焦距及热红外焦平面阵列的面积决定了成像视场角F0V，改变d,使得标定板组件完全位于FOV的范围之内；
(3)抓取一幅标定板组件的热红外数字图像，可采用通常的可见光立体视觉通用的摄像机内参数标定方法；即通过图像处理获取(N-1)乘(N-1)个角点的像素坐标，再与这些角点的空间位置坐标进行对比计算，可得出热红外摄像机的内参数。
[0008]本发明一种热红外摄像机标定方法采用的标定系统由计算机、图像采集卡、热红外摄像机、热红外镜头、标定板组件及恒温加热组件组成。
[0009]其中恒温加热组件由底板、隔热垫、加热元件、绝缘导热片、加热面板、恒温加热控制器及测温探头组成。隔热垫放置在底板上，加热元件放置在隔热垫上，加热面板与加热元件之间为绝缘导热片；加热元件通过导线与恒温加热控制器相连，由恒温加热控制器提供加热元件工作电压，使其发热；测温探头用来测定温度，并与恒温加热控制器相连，提供温度对应的电压信号给恒温加热控制器。
[0010]所述恒温加热组件中的加热元件是加热丝，加热丝均匀绕成方形螺旋线平面结构，使得加热更均匀；加热丝通过连接线与恒温加热控制器相连，由恒温加热控制器提供加热丝工作电压，使其发热。隔热垫用于对底板隔热；加热面板由均匀厚度的正方形金属制成。加热面板与加热丝之间为绝缘导热片，其具有高导热率和绝缘性，兼顾导热和防止加热丝与加热面板直接接触而短路。测温探头用来测定温度，并与恒温加热控制器相连，提供温度对应的电压信号给恒温加热控制器。恒温加热控制器接220V市电，工作时首先设定温度T，此时为加热丝提供工作电压，使其加热。加热丝通过绝缘导热片传热给加热面板，使其温度升高。测温探头实时测温，其对应的电压信号为恒温加热控制器接收并进行判断。当温度未到T，则持续提供加热丝工作电压；当温度达到T，则停止提供加热丝工作电压；断电之后，如温度下降低于T，则又对加热丝供电，使温度升高；如此反复，以达到恒温的目的。
[0011]所述标定板组件由正方形金属基板与正方形非金属小板构成；金属基板和非金属小板具有不同的发射率和导热特性；正方形非金属小板嵌放在正方形金属基板的方槽中。
[0012]所述标定板组件的制备方法为:加工一正方形具有一定厚度的金属基板；将上表面进行哑光处理，防止镜面反射。然后在上表面划分成N乘N个面积相等的边长为w小正方形。间隔选取小正方形开方形槽，槽的深度为I则最终开出N2/2个，容积为# 2乘力的方形槽，得到开槽基板。加工N2/2个边长为I厚度为A的正方形非金属小板。非金属小板选择的材料具有哑光隔热的特点。然后，逐个将N2/2个非金属小板嵌入开槽基板中，得到标定板组件。
[0013]本发明的有益效果是，本发明方法对标定系统的相关部件采用了恒温加热、表面哑光处理，及选择非金属哑光材料三种措施，得到了均匀一致、无镜面反光、对比度较好的标定板组件热红外图像，能够满足热红外面阵传感器的内外参数的提取要求，解决了热红外立体视觉的标定问题；本发明方法有利于角点提取，方便了热红外摄像机内参数标定。
[0014]本发明适用于热红外立体视觉中的摄像机内参数标定。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明热红外摄像机标定系统结构示意图；
图2为本发明标定板组件制作流程示意图；
在图中，I是恒温加热组件；2是底板；3是隔热垫；4是加热面板；5是标定板组件；6是热红外焦平面阵列；7是热红外摄像机；8是摄像机同轴电缆接口(简称BNC接口);9是热红夕卜镜头；10同轴电缆；11是图像采集卡BNC接口 ；12是图像采集卡；13是计算机；14是恒温加热控制器；15是加热元件；16是测温探头；17是连接线；18是绝缘导热片；19是金属基板；20是开槽基板；21是方形槽；22是非金属小板。
【具体实施方式】
[0016]本发明【具体实施方式】如图1、图2所示。
[0017]热红外立体视觉中的摄像机标定系统由计算机13、图像采集卡12、热红外摄像机7、热红外镜头9、标定板组件5及恒温加热组件I组成。其中恒温加热组件I由底板2、隔热垫3、加热元件15、绝缘导热片18、加热面板4、恒温加热控制器14及测温探头16组成。
[0018]在本实施例中，恒温加热组件I中的加热元件15是加热丝，加热丝均匀绕成方形螺旋线平面结构，使得加热更均匀；加热丝通过连接线与恒温加热控制器14相连，由恒温加热控制器14提供加热丝工作电压，使其发热。隔热垫3用于对底板2隔热；加热面板4由均勻厚度的正方形金属制成，在本实施例中用钢板制作，厚度为Icm,边长为45cm。加热面板4与加热丝之间为绝缘导热片18，在本实施例中绝缘导热片18材料为氧化铝陶瓷，其具有高导热率和绝缘性，兼顾导热和防止加热丝与加热面板4直接接触而短路。测温探头16用来测定温度，并与恒温加热控制器14相连，提供温度对应的电压信号给恒温加热控制器14。恒温加热控制器14接220V市电，工作时首先设定温度T，此时为加热丝15提供工作电压，使其加热。加热丝15通过绝缘导热片18传热给加热面板14，使其温度升高。测温探头16实时测温，其对应的电压信号为恒温加热控制器14接收进行判断。当温度未到T，则持续提供加热丝15工作电压；当温度达到T，则停止提供加热丝15工作电压；断电之后，如温度下降低于T，则又对加热丝15供电，使温度升高；如此反复，以达到恒温的目的。
[0019]标定板组件5由金属与非金属两种材料制作而成，它们具有不同的发射率和导热特性，其制作流程如图2所示。
[0020]首先，加工一正方形具有一定厚度的金属基板19。在实施例中，选择金属铝板，力口工成边长为40cm，厚度为4cm的平板作为基板。将上表面进行哑光处理，防止镜面反射。然后在上表面划分成N乘N个面积相等的边长为w小正方形。在实施例中，取N=10，则划分成100个边长# = 4cm的小正方形。间隔选取小正方形开方形槽21，槽的深度为A，则最终开出N2/2个，容积为# 2乘A的方形槽21，得到开槽基板20。在实施例中，取A为2cm。加工N2/2个边长为I厚度为A的正方形非金属小板22。在实施例中，非金属小板22选择碳化硅材料，具有哑光隔热的特点。然后，逐个将N2/2个非金属小板22嵌入开槽基板20中，得到标定板组件5。
[0021]在进行热红外立体视觉中的摄像机标定时，如图1布置系统。
[0022]首先，将标定板组件5下表面与恒温加热组件I中的加热面板4紧密贴合。因加热面板4的面积大于标定板组件5的面积，便于更好传热。开启恒温加热组件1，设定温度T，本实施例T=80°C。等待一定时间后，达到预定温度80°C。
[0023]固定安放配有热红外镜头9的热红外摄像机7，使其光轴垂直于标定板组件5，且光轴与标定板组件5的交点与标定板组件5中心重合，热红外镜头9中心到标定板组件5的垂直距离为A摄像机同轴电缆接口 8通过同轴电缆10联接到图像采集卡BNC接口 11，图像采集卡12插入计算机13的PCI插槽，安装好驱动程序并开启热红外摄像机7后，可在计算机13中获取标定板组件5的实时热红外灰度图像。由于铝传热好而碳化硅绝热好，因此标定板组件5上的铝与碳化硅小方块温度不同，且铝与碳化硅材料的发射率不一样，因此标定板组件5的实时热红外灰度图像类似国际象棋棋盘形状，即黑白单元格整齐排列的分布。由热红外镜头9的焦距及热红外焦平面阵列6的面积决定了成像视场角FOV(即Field of view)，改变d,使得标定板组件5完全位于FOV的范围之内。
[0024]抓取一幅标定板组件5的热红外数字图像，可采用通常的可见光立体视觉通用的摄像机内参数标定方法。即通过图像处理获取(N-1)乘(N-1)个角点(本实施例为9乘9个角点)的像素坐标，再与这些角点的空间位置坐标进行对比计算，可得出热红外摄像机7的内参数。与可见光立体视觉类似，放置多台热红外摄像机同时标定，采用本发明的标定系统可得到多台热红外摄像机的外参数，从而实现热红外立体视觉的标定。
【权利要求】
1.一种热红外摄像机内参数标定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: (1)将标定板组件下表面与恒温加热组件中的加热面板紧密贴合；开启恒温加热组件，设定温度T ;等待一定时间后，达到预定温度T ； (2)固定安放配有热红外镜头的热红外摄像机，使其光轴垂直于标定板组件，且光轴与标定板组件的交点与标定板组件中心重合，热红外镜头中心到标定板组件的垂直距离为V ;摄像机BNC接口通过同轴电缆联接到图像采集卡BNC接口，图像采集卡插入计算机的PCI插槽，安装好驱动程序并开启热红外摄像机后，在计算机中获取标定板组件的实时热红外灰度图像；标定板组件上的金属与非金属小方块温度不同，且金属与非金属材料的发射率不一样，因此标定板组件的实时热红外灰度图像类似国际象棋棋盘形状，即黑白单元格整齐排列的分布；由热红外镜头的焦距及热红外焦平面阵列的面积决定了成像视场角FOV，改变d,使得标定板组件完全位于FOV的范围之内； (3)抓取一幅标定板组件的热红外数字图像，可采用通常的可见光立体视觉通用的摄像机内参数标定方法；即通过图像处理获取(N-1)乘(N-1)个角点的像素坐标，再与这些角点的空间位置坐标进行对比计算，可得出热红外摄像机的内参数。
2.根据权利要求1所述一种热红外摄像机内参数标定方法，其特征在于，所述标定板组件由正方形金属基板与正方形非金属小板构成；金属基板和非金属小板具有不同的发射率和导热特性；正方形非金属小板嵌放在正方形金属基板的方槽中。
3.根据权利要求2所述一种热红外摄像机内参数标定方法，其特征在于，所述标定板组件的制备方法为:将具有一定厚度的正方形金属基板进行哑光处理，然后在上表面划分成N乘N个面积相等的边长为w小正方形；间隔选取小正方形开方形槽，槽的深度为h，则最终开出N2/2个，容积为# 2乘力的方形槽，得到开槽基板；加工N2/2个边长为I厚度为h的正方形非金属小板；逐个将N2/2个非金属小板嵌入开槽基板中，得到标定板组件。
4.根据权利要求1所述一种热红外摄像机内参数标定方法，其特征在于，所述恒温加热组件由底板、隔热垫、加热元件、绝缘导热片、加热面板、恒温加热控制器和测温探头组成；隔热垫放置在底板上，加热元件放置在隔热垫上，加热面板与加热元件之间为绝缘导热片；加热元件通过导线与恒温加热控制器相连，由恒温加热控制器提供加热元件工作电压，使其发热；测温探头用来测定温度，并与恒温加热控制器相连，提供温度对应的电压信号给恒温加热控制器。
5.根据权利要求4所述一种热红外摄像机内参数标定方法，其特征在于，所述加热面板由均匀厚度的正方形金属制成。
6.根据权利要求4所述一种热红外摄像机内参数标定方法，其特征在于，所述加热元件是加热丝，加热丝均匀绕成方形螺旋线平面结构，使得加热更均匀。
7.根据权利要求4所述一种热红外摄像机内参数标定方法，其特征在于，所述绝缘导热片具有高导热率和绝缘性，兼顾导热和防止加热丝与加热面板直接接触而短路。
【文档编号】H04N13/00GK104284103SQ201410499801
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】万雄 申请人:国家电网公司, 国网江西省电力科学研究院