CN117053928A - 一种红外热像仪镜头畸变校正及成像非均匀性的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外热像仪镜头畸变校正及成像非均匀性的标定方法，涉及红外热像仪标定技术领域，本发明从改善镜头畸变与响应特性两方面入手，解决了红外热像仪由于镜头畸变及感光元件成像非均匀性引起的测量结果误差问题，具体是通过制作红外成像仪特定标定板以及对红外热像仪分段分区域进行标定，降低了镜头畸变以及红外热像仪响应特性变化引起的对测温结果的影响，从而提升红外热像仪的测温精度。

Description

一种红外热像仪镜头畸变校正及成像非均匀性的标定方法

技术领域：

本发明涉及红外热像仪标定技术领域，具体涉及一种红外热像仪镜头畸变校正及成像非均匀性的标定方法。

背景技术：

红外热像仪是一种能够检测和测量物体表面红外辐射的仪器，它利用红外辐射的原理，将物体表面发出的红外辐射转换成热图像或视频，以显示目标物体的热分布情况。红外热像仪可以感知远红外到近红外波段的辐射，并且可以在低光或全黑的环境下进行工作。红外热像仪的工作原理是基于物体的热辐射特性，任何温度高于绝对零度(-273.15℃)的物质，都会向外辐射能量，根据普朗克辐射定律，在一定波长范围内，通过测定红外线辐射的强弱，就可以推算出物质表面的温度。这样，我们可以通过观察热图像或视频，了解目标物体的温度分布、热点位置等信息。

红外热像仪在很多领域都有广泛的应用。例如，军事上可以用于夜视、目标探测与跟踪；工业上可以用于故障诊断、设备监测与维护；医学上可以用于体温检测、疾病诊断等。此外，红外热像仪也被广泛用于建筑、消防、安防等领域。红外热像仪在测温过程中，测温精度是最为重要的一环。影响测温精度的因素也有很多，对于目前的红外热像仪而言，镜头畸变便是一个普遍存在的问题。

镜头畸变是指光学系统中透镜或镜头引起的图像形变现象，它可能对红外热像仪测温的精度产生一定的影响，其可能导致成像平面上的图像失真，使得实际目标的尺寸和形状与图像中所显示的不完全一致，或者测量目标温度时可能无法准确地确定测量点的位置，这会影响到红外热像仪对目标的空间分辨率，从而影响温度测量的准确性。有些类型的镜头畸变也可能导致红外热像仪测得的图像中不同区域的放大倍数有所不同，这会影响到测量区域的选择和大小。如果温度差异较大的区域因为畸变而无法在图像上清晰显示，那么这些区域的温度测量可能会受到一定程度的影响。除此之外，由于红外热像仪的测温原理，是通过探测目标物体的红外辐射，利用对红外辐射敏感的红外探测器，把红外辐射转化为电信号之后再经过一系列电路，将目标的温度图像显示出来。因此对于一些动态范围较大的红外热像仪而言，其对不同温度段的响应可能并不是线性的，并且随着使用时间的增加，其响应特性也可能会发生变化。考虑到以上对红外热像仪测温精度的影响因素，发展一种针对红外热像仪成像非均匀性的标定方法是有必要的。

为了解决上述存在的问题，专利CN113670445A公开了“一种红外热像仪成像非均匀性的标定方法”，该方法通过划分标定区域及标定温度段对红外热像仪进行非均匀性校正，但是却并未充分考虑镜头畸变带来的影响。本发明从改善镜头畸变与响应特性两方面入手，解决了红外热像仪由于镜头畸变及感光元件成像非均匀性引起的测量结果误差问题，降低了镜头畸变以及红外热像仪响应特性变化引起的对测温结果的影响，从而提升红外热像仪的测温精度。

发明内容：

本发明的目的在于改善由于镜头畸变及响应特性变化引起的红外热像仪测温精度的不足，提供一种红外热像仪镜头畸变校正及成像非均匀性的标定方法。

为了实现上述目的，本发明从校正几何畸变与改善响应特性两方面入手，提供了一种红外热像仪镜头畸变校正及成像非均匀性的标定方法，包括以下步骤：

(1)针对红外热像仪制作棋盘格标定板并对红外热像仪进行镜头畸变的校正；

(2)根据红外热像仪动态范围划分标定温度段，将红外热像仪的动态范围按照一定梯度均匀划分为连续的标定温度段，在单个标定温度段中最低温与最高温分别为T_min与T_max；

(3)划分测温网格并对每一测温网格内的黑体炉图像进行采集，然后将黑体炉覆盖各网格的图像进行裁剪与拼接，得到红外热像仪在某一温度下的完整测温数据；

(4)根据红外热像仪的分辨率划分标定区域，对每个温度段内红外热图像各标定区域采集温度数据，并将得到的温度数据按照辐亮度转换公式转换为该温度下的辐亮度数据；

(5)获取红外热像仪在测温范围内各像素点的校正系数，利用校正系数计算得到校正后辐亮度，并反推回温度进行分析。

在进一步的技术方案中，所述步骤(1)具体采用抛光铝片与黑色磨砂塑料片这两种不同材质的矩形片按棋盘格形式的栅格图案交替排布，粘贴于标定板底板上，根据张正友标定法对红外热像仪镜头畸变进行标定。

在进一步的技术方案中，所述步骤(3)具体包括以下步骤：

(3.1)根据红外热像仪探测器的分辨率将红外热像仪的热图像按照网格状划分为相互连接的采集区域；

(3.2)不改变黑体炉位置，调整红外热像仪水平与垂直方向的位置，使得黑体炉在红外热像仪预览画面中覆盖各网格，并采集多幅覆盖各网格的图像；

(3.3)对采集到的多幅黑体炉图像截取对应覆盖网格部分，随后按照原网格顺序对截取部分进行拼接，最终得到红外热像仪在该温度下黑体炉的完整响应热图像。

在进一步的技术方案中，所述步骤(4)具体包括以下步骤：

(4.1)根据红外热像仪探测器的分辨率将红外热像仪的热图像按照方形环状等间距划分为连续标定区域；

(4.2)将最内部区域设定为A区域，最外部区域设定为H区域，所有区域按照由内到外A至H的顺序依次编号；

(4.3)选择好需要标定的温度段，确定好T_min与T_max的值，选取两个温度值T₁与T₂，使满足T_min<T₁<T₂<T_max；

(4.4)将黑体炉温度设置为T₁，通过步骤(3)得到黑体炉温度为T₁的完整温度数据，之后按照标定区域的划分将温度数据划分为_AT_m1至_HT_m1共8个温度数据矩阵；

其中，左下标A表示测量所得热图像A区域；左下标H表示测量所得热图像H区域；

(4.5)由于红外热像仪的响应与辐亮度成线性关系，因此需要将温度转换为辐亮度再进行后续处理。将黑体炉设定为T₁温度下处理得到的温度数据矩阵通过辐亮度转化公式转换成辐亮度矩阵_AL_m1至_HL_m1，辐亮度转换公式为：

其中，常数a₁＝2hc²＝1.191066×10^-12W·cm²；

a₂＝hc/k＝1.438833×10⁴μm·K；

辐亮度L的单位为W·cm^-2·sr^-1，表示表示1平方厘米黑体在波长间隔(宽度)Δλ＝λ₂-λ₁内单位立体角辐射的功率。

(4.6)将黑体炉温度设定为T₂，重复步骤(4.4)和(4.5)，得到辐亮度矩阵_AL_m2至_HL_m2。

在进一步的技术方案中，步骤(5)具体包括以下步骤：

(5.1)对于步骤(4.5)与(4.6)所得到的辐亮度矩阵，在单个标定区域内，例如在A区域，有如下方程组：

其中，_AL_m1(i,j)与_AL_m2(i,j)表示在T₁与T₂温度下A区域辐亮度矩阵中第i行第j列的像素点对应辐亮度值；

L₁(i,j)与L₂(i,j)表示在黑体炉设定温度下对应辐亮度值；

表示温度段T_min～T_max内A区域各像素点辐亮度值的衰减系数；

表示温度段T_min～T_max内A区域各像素点辐亮度值的漂移系数；

通过联立式(2)和(3)，计算出衰减系数矩阵与偏移系数矩阵表示为：

(5.2)按照步骤(5.1)依次计算出所有标定区域在温度段T_min～T_max内的衰减系数矩阵与漂移系数矩阵

(5.3)对于第n块标定区域内坐标为(x,y)的点，热图像测量温度对应辐亮度为L_measure，该点真实温度所对应辐亮度为L_calibrated，则它们之间的关系为：

本发明的有益效果是：本发明从改善镜头畸变与响应特性两方面入手，解决了红外热像仪由于镜头畸变及感光元件成像非均匀性引起的测量结果误差问题，具体是通过制作红外成像仪特定标定板以及对红外热像仪分段分区域进行标定，降低了镜头畸变以及红外热像仪响应特性变化引起的对测温结果的影响，从而提升红外热像仪的测温精度。

附图说明：

图1为本发明实施例1中红外热像仪特制标定板的实物图与红外图；

图2为本发明实施例1中使用标定板进行标定前后效果对比图；

图3为本发明实施例1中黑体炉在红外热像仪预览画面中覆盖第一个方格的示意图；

图4为本发明实施例1中经过截取与拼接处理后得到的红外热像仪在黑体炉40℃下采集到的二维温度数据；

图5为本发明实施例1中红外热像仪标定区域划分示意图；

图6为本发明实施例1中在60℃进行验证下，0～100℃温度段内校正前与校正后的温度数据对比图；

图7为本发明实施例1中在其余温度段下，校正前与校正后的温度数据对比图；

图8为使用本发明的标定方法与专利CN113670445A的标定方法校正后的温度数据对比图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。

实施例1

本实施例提供了一种红外热像仪成像非均匀性的标定方法，具体包括以下步骤：

S1、使用FLIR A40M非制冷型长波红外热像仪。准备好40片高度抛光的铝片及三块黑色磨砂塑料板。将三块黑色磨砂塑料板粘为一体以增强抗形变能力，然后将40片抛光铝片按照棋盘格形式的栅格图案交替排布，贴于粘好的黑色磨砂塑料板上。

S2、在距离红外热像仪50cm处成像良好的情况下，锁定好温度阈值(量程)，确保整个拍摄过程中图像质量稳定，拍摄40张不同位姿的标定板热图像。标定板实物图与拍摄效果如图1所示。

S3、对采集到的图像进行筛选，剔除成像质量低的热图像。将合格的热图像导入Matlab中进行标定处理，得到红外热像仪内参矩阵与畸变系数。并将原图像与校正后图像进行对比，得到对比效果图，如图2所示。

S4、将红外热像仪镜头对准黑体炉口，镜头前端距离黑体炉口50cm。在整个实验过程中三脚架及黑体炉的位置均不变。根据红外热像仪以及黑体炉的性能参数，将标定温度段分为0～100℃、100～200℃、200～300℃、300～400℃。

S5、首先标定0～100℃温度段，选取40℃为T₁，80℃为T₂。将黑体炉温度设置为40℃，待黑体炉温度读数到达目标值后继续等待30min使温度稳定。

S6、FLIR A40M红外热像仪的分辨率为320×240，使用相机软件自带画图工具将预览画面分为16个80×60大小的矩形方块。调节红外热像仪位置，使黑体炉在预览界面完全覆盖第一个方格区域，如图3所示，随后采集整个热图像。

S7、继续调节红外热像仪位置，使黑体炉依次覆盖其余15个矩形区域，并对热图像进行采集，最终采集得到16辐黑体炉覆盖各方格的热图像。

S8、使用Matlab软件读取采集的16幅热图像，并对各热图像被黑体炉覆盖的矩阵区域进行截取，随后按照原矩阵区域顺序进行拼接得到黑体炉设定在40℃下红外热像仪的完整热图像，如图4所示。

S9、使用Matlab软件处理得到40℃下红外热像仪测得热图像的二维温度数据矩阵T_m1，并按照等间距对二维温度数据矩阵T_m1进行分区，得到_AT_m1至_HT_m1共8个方形环状二维温度数据矩阵，如图5所示。

S10、由于红外热像仪响应与辐亮度成线性关系，因此将步骤S9中得到的8个方形环状二维温度数据矩阵_AT_m1至_HT_m1，通过辐亮度转换公式，即式(1)，转化为8个方形环状二维辐亮度数据矩阵_AL_m1至_HL_m1。

以H区域为例，H区域二维温度数据矩阵为_HT_m1，经过辐亮度转换公式计算后得到H区域辐亮度矩阵为_HL_m1。_HT_m1与_HL_m1如下所示：

值得注意的是，除A区域以外的所有环形矩阵区域，均为横向宽度为20、纵向宽度为15的方形环状区域，对应区域除环形内元素为对应实测温度值，其余元素均设置为0。

S11、将黑体炉温度设置为80℃，待黑体炉温度读数到达目标值后继续等待30分钟使温度稳定。

S12、按照步骤S4～S9的方法得到80℃下8个方形环状二维辐亮度数据矩阵_AL_m2至_HL_m2。对于0～100℃温度段内H区域，有以下方程组：

_HL_m1(i,j)＝_HK_0～100(i,j)L₁(i,j)+_HB_0～100(i,j) (8)

_HL_m2(i,j)＝_HK_0-100(i,j)L₂(i,j)+_HB_0-100(i,j) (9)

其中(i,j)为H区域中各像素点的坐标。联立式(8)与式(9)便可计算得到0～100℃温度段内H区域衰减系数矩阵_HK_0-100与漂移系数矩阵_HB_0-100。

衰减系数矩阵_HK_0～100如下所示：

漂移系数矩阵_HB_0-100如下所示：

S13、重复步骤S12，计算出0～100℃温度段内各区域所对应的衰减系数矩阵_nK_0-100与漂移系数矩阵_nB_0-100。至此，针对0～100℃温度段的标定已完成。

S14、使用标定后的红外热像仪进行测温，在已标定温度段内，对于第n区域中坐标为(x,y)的像素点，热图像中该点测量温度对应的辐亮度为L_measure，使用式(10)计算出该点真实温度对应辐亮度值L_calibrated。

式(10)表明将温度数据转换为辐亮度数据，而后使用对应温度段的衰减系数矩阵与漂移系数矩阵对原辐亮度数据进行修正，最后在转回温度数据，便可得到更为准确的测温结果。

S15、将黑体炉温度设置为60℃，使用红外热像仪对黑体炉直接测量得到的温度数据(校正前)与经过本发明的标定方法进行处理后的温度数据(校正后)进行对比验证。

校正前与校正后的温度数据对比图，如图6所示。校正前与校正后各标定区域的平均温度数据对比，如表1所示。

表1

通过表1中的数据可以计算得到：校正前红外热像仪测量得到标定区域平均温度的均方差为σ₁＝3.6872，而校正后计算得到标定区域平均温度的均方差为σ₂＝0.5880，因此本发明使用的方法对于红外热像仪在0～100℃的测温精度具有较大的提升。

S16、改变黑体炉温度，按照步骤S5～S13的方法对100～200℃、200～300℃、300～400℃温度段的红外热像仪进行标定，并分别计算出每个温度段对应的衰减系数矩阵与漂移系数矩阵，最后得到校正前与校正后的温度数据，并进行对比。

校正前与校正后的测量温度与黑体炉温度的对比图，如图7所示。校正前与校正后的测量温度如表2所示。

表2

通过表2中的数据可以计算得到：校正前红外热像仪测量平均温度的均方差为σ₁＝4.5278，而校正后计算得到平均温度的均方差为σ₂＝1.6129，由此可见，本发明的标定方法对于红外热像仪在100～200℃、200～300℃、300～400℃各温度段的测温精度都有不同程度的改善。

S17、为了更直观地对比本发明的标定方法对于红外热像仪测温精度的提升效果，在此就专利CN113670445A公开的标定方法设立一组对比实验，分别在100～200℃、200～300℃、300～400℃各温度段内进行计算。为方便说明，以下将本发明的标定方法称作“本方法”，将专利CN113670445A的标定方法称作“对比方法”。

使用本方法与对比方法计算得到的温度数据，如图8所示。本方法与对比方法的温度偏差，如表3所示。

表3

通过表3中的数据可以计算得到：使用本方法得到的计算结果的均方差为σ₁＝1.6129，使用对比方法得到的计算结果的均方差为σ₂＝2.3896，因此本方法计算结果的准确性要优于对比方法。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种红外热像仪镜头畸变校正及成像非均匀性的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)针对红外热像仪制作棋盘格标定板并对红外热像仪进行镜头畸变的校正；

(2)根据红外热像仪动态范围划分标定温度段，将红外热像仪的动态范围按照一定梯度均匀划分为连续的标定温度段，在单个标定温度段中最低温与最高温分别为T_min与T_max；

(3)划分测温网格并对每一测温网格内的黑体炉图像进行采集，然后将黑体炉覆盖各网格的图像进行裁剪与拼接，得到红外热像仪在某一温度下的完整测温数据；

(4)根据红外热像仪的分辨率划分标定区域，对每个温度段内红外热图像各标定区域采集温度数据，并将得到的温度数据按照辐亮度转换公式转换为该温度下的辐亮度数据；

(5)获取红外热像仪在测温范围内各像素点的校正系数，利用校正系数计算得到校正后辐亮度，并反推回温度进行分析。

2.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述步骤(1)具体采用抛光铝片与黑色磨砂塑料片这两种不同材质的矩形片按棋盘格形式的栅格图案交替排布，粘贴于标定板底板上，根据张正友标定法对红外热像仪镜头畸变进行标定。

3.根据权利要求1或2所述的标定方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括以下步骤：

(3.1)根据红外热像仪探测器的分辨率将红外热像仪的热图像按照网格状划分为相互连接的采集区域；

(3.2)不改变黑体炉位置，调整红外热像仪水平与垂直方向的位置，使得黑体炉在红外热像仪预览画面中覆盖各网格，并采集多幅覆盖各网格的图像；

(3.3)对采集到的多幅黑体炉图像截取对应覆盖网格部分，随后按照原网格顺序对截取部分进行拼接，最终得到红外热像仪在该温度下黑体炉的完整响应热图像。

4.根据权利要求1-3任一项所述的标定方法，其特征在于：所述步骤(4)具体包括以下步骤：

(4.1)根据红外热像仪探测器的分辨率将红外热像仪的热图像按照方形环状等间距划分为连续标定区域；

(4.2)将最内部区域设定为A区域，最外部区域设定为H区域，所有区域按照由内到外A至H的顺序依次编号；

(4.3)选择好需要标定的温度段，确定好T_min与T_max的值，选取两个温度值T₁与T₂，使满足T_min<T₁<T₂<T_max；

(4.4)将黑体炉温度设置为T₁，通过步骤(3)得到黑体炉温度为T₁的完整温度数据，之后按照标定区域的划分将温度数据划分为_AT_m1至_HT_m1共8个温度数据矩阵；

其中，左下标A表示测量所得热图像A区域；左下标H表示测量所得热图像H区域；

(4.5)将黑体炉设定为T₁温度下处理得到的温度数据矩阵通过辐亮度转化公式转换成辐亮度矩阵_AL_m1至_HL_m1，辐亮度转换公式为：

其中，常数a₁＝2hc²＝1.191066×10^-12W·cm²；

a₂＝hc/k＝1.438833×10⁴μm·K；

辐亮度L的单位为W·cm^-2·sr^-1；

(4.6)将黑体炉温度设定为T₂，重复步骤(4.4)和(4.5)，得到辐亮度矩阵_AL_m2至_HL_m2。

5.根据权利要求1-4任一项所述的标定方法，其特征在于：所述步骤(5)具体包括以下步骤：

(5.1)对于步骤(4.5)与(4.6)所得到的辐亮度矩阵，在单个标定区域内，例如在A区域，有如下方程组：

其中，_AL_m1(i,j)与_AL_m2(i,j)表示在T₁与T₂温度下A区域辐亮度矩阵中第i行第j列的像素点对应辐亮度值；

L₁(i,j)与L₂(i,j)表示在黑体炉设定温度下对应辐亮度值；

表示温度段T_min～T_max内A区域各像素点辐亮度值的衰减系数；

表示温度段T_min～T_max内A区域各像素点辐亮度值的漂移系数；

通过联立式(2)和(3)，计算出衰减系数矩阵与偏移系数矩阵表示为：

(5.2)按照步骤(5.1)依次计算出所有标定区域在温度段T_min～T_max内的衰减系数矩阵与漂移系数矩阵

(5.3)对于第n块标定区域内坐标为(x,y)的点，热图像测量温度对应辐亮度为L_measure，该点真实温度所对应辐亮度为L_calibrated，则它们之间的关系为：