一种红外测温方法及系统

1.本发明涉及红外测温技术领域，尤其涉及一种红外测温方法及系统。


背景技术：

2.轴承、齿轮等作为机械传动链的重要组成部分，其运行环境非常恶劣，经常受到冲击和交变的载荷，导致其成为故障率最高的部件，而以轴承为代表的零部件的工作状态直接影响到整条生产线的连续正常运行。温度是衡量轴承服役性能的重要指标，局部瞬时温升及热失效是轴承主要失效诱因，轴承失效会给产线的连续正常生产造成严重后果，对轴承温度进行实时在线监测能减小或者避免轴承失效的情况出现。
3.目前，红外测温技术在冶金行业得到广泛应用，尤其是在冶金流程工业中炼钢、炼铁和热轧等方面，利用红外测温技术可以实时在线监测轴承温度。由于轴承的运行环境非常恶劣，现场会有大量水雾产生，得到的红外测温图像会存在水雾，根据红外测温图像得到的轴承温度不准确。


技术实现要素：

4.本发明通过提供一种红外测温方法及系统，解决了传统红外测温方法在水雾环境下得到的待测目标温度不准确的技术问题。
5.一方面，本发明提供如下技术方案：
6.一种红外测温方法，包括：
7.获取待测目标的红外测温图像；
8.若所述红外测温图像存在水雾，则获取环境漫反射光；
9.根据所述红外测温图像及所述环境漫反射光计算大气中传输所述红外测温图像的光的透射率；
10.根据所述红外测温图像、所述环境漫反射光及所述透射率得到去水雾图像；
11.根据所述去水雾图像得到所述待测目标的温度。
12.优选的，所述根据所述红外测温图像及所述环境漫反射光计算大气中传输所述红外测温图像的光的透射率，包括：
13.获取水雾调节因子和反射调节因子；
14.根据所述红外测温图像、所述环境漫反射光、所述水雾调节因子及所述反射调节因子计算所述透射率。
15.优选的，所述根据所述红外测温图像、所述环境漫反射光、所述水雾调节因子及所述反射调节因子计算所述透射率，包括：
16.r、g、b为三个颜色通道；
17.x、y为所述红外测温图像的坐标值，为透射率矩阵，w为所述水雾调节因子，w∈(0,1]，λ为所述水雾调节因子，ic(x,y)为所述红外测温图像的单个颜色通道的值，ac为所述环境漫反射光在单个颜色通道的值。
18.优选的，所述根据所述红外测温图像、所述环境漫反射光及所述透射率得到去水雾图像，包括：
19.c∈(r，g，b)，r、g、b为三个颜色通道；
20.x、y为所述红外测温图像的坐标值，jc(x,y)为所述去水雾图像的单个颜色通道的值，ic(x,y)为所述红外测温图像的单个颜色通道的值，ac为所述环境漫反射光在单个颜色通道的值，为透射率矩阵，j(x,y)为所述去水雾图像。
21.优选的，所述根据所述去水雾图像得到所述待测目标的温度，包括：
22.获取所述去水雾图像的每个颜色通道的灰度图像矩阵；
23.获取非凸惩罚函数；
24.根据所述灰度图像矩阵及所述非凸惩罚函数计算低秩近似矩阵；
25.根据所述低秩近似矩阵得到所述待测目标的温度。
26.优选的，所述获取非凸惩罚函数，包括：
27.基于moreau包络得到特定凸函数；
28.从标准惩罚函数中减去所述特定凸函数得到所述非凸惩罚函数。
29.优选的，所述根据所述去水雾图像得到所述待测目标的温度，之后还包括：
30.获取所述待测目标的发射率、大气温度及外部光学温度，根据所述发射率、所述透射率、所述大气温度及所述外部光学温度对所述待测目标的温度进行补偿。
31.另一方面，本发明还提供如下技术方案：
32.一种红外测温系统，包括：
33.红外测温图像获取模块，用于获取待测目标的红外测温图像；
34.环境漫反射光获取模块，用于若所述红外测温图像存在水雾，则获取环境漫反射光；
35.透射率计算模块，用于根据所述红外测温图像及所述环境漫反射光计算大气中传输所述红外测温图像的光的透射率；
36.去水雾图像获取模块，用于根据所述红外测温图像、所述环境漫反射光及所述透射率得到去水雾图像；
37.待测目标温度获取模块，用于根据所述去水雾图像得到所述待测目标的温度。
38.另一方面，本发明还提供如下技术方案：
39.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述任一红外测温方法。
40.另一方面，本发明还提供如下技术方案：
41.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质被执行时实现上述任一红外测温方法。
42.本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
43.在待测目标的红外测温图像存在水雾时获取环境漫反射光，根据红外测温图像及环境漫反射光计算大气中传输红外测温图像的光的透射率，根据红外测温图像、环境漫反
射光及透射率得到去水雾图像，根据去水雾图像得到待测目标的温度，去除了红外测温图像的水雾，提高了水雾环境下得到的待测目标温度的准确性。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
45.图1为本发明实施例中红外测温方法的流程图；
46.图2为本发明实施例中轴承座区域温度监测示意图；
47.图3为本发明实施例中另一轴承座区域温度监测示意图；
48.图4为本发明实施例中轧机工作时轴承座区域温度变化曲线图；
49.图5为本发明实施例中轧机停机检修时轴承座区域温度变化曲线图；
50.图6为本发明实施例中轧辊正常工作时的温度变化曲线图；
51.图7为本发明实施例中红外测温系统的结构示意图。
具体实施方式
52.本发明实施例通过提供一种红外测温方法及系统，解决了传统红外测温方法在水雾环境下得到的待测目标温度不准确的技术问题。
53.为了更好的理解本发明的技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对本发明的技术方案进行详细的说明。
54.首先说明，本文中出现的术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
55.如图1所示，本实施例的红外测温方法，包括：
56.步骤s1，获取待测目标的红外测温图像；
57.步骤s2，若红外测温图像存在水雾，则获取环境漫反射光；
58.步骤s3，根据红外测温图像及环境漫反射光计算大气中传输红外测温图像的光的透射率；
59.步骤s4，根据红外测温图像、环境漫反射光及透射率得到去水雾图像；
60.步骤s5，根据去水雾图像得到待测目标的温度。
61.步骤s1中，待测目标包括但不限于轴承、齿轮等零部件。步骤s1之后、步骤s5之前，红外测温方法还包括：若红外测温图像不存在水雾，则将红外测温图像作为去水雾图像。
62.步骤s3中，根据暗原色先验理论可知，在自然可见光图像中，图像的rgb三个通道中的局部区块中总有某些像素点的亮度值很低，以致趋于0，那么对于一个不存在水雾的红外测温图像，即去水雾图像，满足：x、y为红外测温图像的坐标值，j
dark
(x,y)为去水雾图像的所有颜色通道的最小值，r、g、b为三个颜色通道，jc(x,y)为去水雾图像的单个颜色通道的值。
63.若假设i为实际拍摄的红外测温图像，j为无水雾环境下的真实物体和环境的反射和辐射，a为环境漫反射光，η为大气中传输红外测温图像的光的透射率，则理论上红外测温图像的成像模型为：i(x,y)＝j(x,y)η(x,y)+a(1-η(x,y))
②
。在已知红外测温图像i的情况下，若想得到j，需先得到a和η。在q(x,y)的邻域内，假设透射率η为一个常数，记为透射率矩阵对公式
②
两边进行最小化运算，得到：
[0064][0065]
为红外测温图像的单个颜色通道的值，ac为环境漫反射光在单个颜色通道的值，jc(x,y)为去水雾图像的单个颜色通道的值。
[0066]
若环境漫反射光a为常量，则根据公式
①
可知则由公式
③
可得
[0067]
考虑到彻底消除水雾现象会造成空间深度感丢失的因素，进而影响图像真实性，本实施例在公式
④
中引入一个水雾调节因子，有针对性的保留远景上面的部分水雾效果，保证图像的真实感。通常水雾调节因子的取值和水雾的浓度相关，水雾浓度越大则水雾调节因子取值越大，反之水雾浓度越小则水雾调节因子越小。考虑到水雾环境对光线的反射率，引入反射调节因子进行调节。因此步骤s3包括：
[0068]
获取水雾调节因子和反射调节因子；
[0069]
根据红外测温图像、环境漫反射光、水雾调节因子及反射调节因子计算透射率。
[0070]
具体的，根据红外测温图像、环境漫反射光、水雾调节因子及反射调节因子计算透射率，包括：
[0071]
w为水雾调节因子，w∈(0,1]，λ为水雾调节因子。其中，根据经验可知，wλ＝0.8时，得到的透射率更准确。
[0072]
在得到透射率后，便可根据公式
②
求得去水雾图像，步骤s4包括：
[0073]
j(x,y)＝jr(x,y)+jg(x,y)+jb(x,y)；c∈(r，g，b)，j(x,y)为去水雾图像。
[0074]
这样，本实施例在待测目标的红外测温图像存在水雾时获取环境漫反射光，根据红外测温图像及环境漫反射光计算大气中传输红外测温图像的光的透射率，根据红外测温图像、环境漫反射光及透射率得到去水雾图像，根据去水雾图像得到待测目标的温度，去除了红外测温图像的水雾，提高了水雾环境下得到的待测目标温度的准确性。
[0075]
本实施例中，步骤s4得到的去水雾图像不可避免的会包含大量噪声，从而影响去水雾图像中信号特征的准确识别，需通过降噪算法对去水雾图像进行降噪。因此，本实施例的步骤s5包括：
[0076]
获取去水雾图像的每个颜色通道的灰度图像矩阵；
[0077]
获取非凸惩罚函数；
[0078]
根据灰度图像矩阵及非凸惩罚函数计算低秩近似矩阵；
[0079]
根据低秩近似矩阵得到待测目标的温度。
[0080]
针对去水雾图像这二维图像，降噪的目标是从去水雾图像的每个颜色通道的灰度图像矩阵中估计出一个稀疏的具有低秩结构的矩阵，即低秩近似矩阵。灰度图像矩阵与低秩近似矩阵的关系表现为：y＝x+w x,y,w∈rm×n；y为灰度图像矩阵，x为低秩近似矩阵，w为噪声矩阵，w取决于环境噪声和测量参数波动，m、n分别为像素矩阵的行数和列数。
[0081]
类似于一维时间序列如振动信号，二维数字图像也具有明显的稀疏性特征，且非凸惩罚函数正则化在矩阵低秩逼近中的表现优于传统的凸惩罚函数正则化方法，可以进一步提高图像表示的稀疏性。本实施例中，二维灰度图像的低秩矩阵逼近策略可以表示为数学优化模型：
[0082]082]
φ为目标函数，即低秩近似矩阵x；f为范数，通常取值为2；ψ为参数化的非凸惩罚函数，α0、α1为非凸惩罚函数的参数；λ0、λ1为正则化参数；k＝min(m,n)；σi(x)为x的奇异值。两个参数化的非凸惩罚函数的权重由正则化参数λ0和λ0调整，后面两项权重的值越大则图像越平滑。
[0083]
根据灰度图像矩阵及非凸惩罚函数计算低秩近似矩阵，具体为：采用交替方向乘子法算法求解公式
⑤
所示的凸优化问题，利用迭代计算，实现从灰度数据矩阵y中得到一个低秩近似矩阵x，即为降噪处理后的灰度图像。本实施例的去水雾图像为rgb图像，需对去水雾图像的每个颜色通道进行上述降噪处理，实现去水雾图像的降噪。在得到降噪处理后的灰度图像后，便可根据灰度图像得到待测目标的温度。如图2所示，利用matlab去匹配降噪后去水雾图像各个像素点的颜色与温度条的颜色从而计算出各个像素点的温度值，温度条的位置在图2右侧。
[0084]
对于获取非凸惩罚函数，典型的非凸惩罚函数应该是二阶可微、连续和对称的，本实施例为了提高低秩矩阵逼近的性能，提出了一种新的不可分离的非凸性惩罚函数。具体的，获取非凸惩罚函数，包括：
[0085]
基于moreau包络得到特定凸函数；
[0086]
从标准惩罚函数中减去特定凸函数得到非凸惩罚函数。
[0087]
moreau包络被描述为moreau包络被描述为为特定凸函数；z＝σi(x)或x
ij
，α＝α0或α1；当z＝σi(x)时，α＝α0；当z＝x
ij
时，α＝α1；d为一阶差分矩阵，表示为tvd为总变分去噪算子，e为z的右特征向量。
[0088]
标准惩罚函数为||dz||1，则非凸惩罚函数ψ(z,α)＝||dz||
1-s
α
(z)。
[0089]
本实施例中，在得到待测目标的温度后，还需对待测目标的温度进行补偿，进一步
提高温度检测的准确性。为此，本实施例的步骤s5之后还包括：
[0090]
获取待测目标的发射率、大气温度及外部光学温度，根据发射率、透射率、大气温度及外部光学温度对待测目标的温度进行补偿。具体为：度及外部光学温度对待测目标的温度进行补偿。具体为：t0为对待测目标的温度进行补偿后的温度，也是最终确定的待测目标温度；ε为待测目标的发射率；tr为步骤s5得到的待测目标的温度；tu为大气温度；ts为外部光学温度。
[0091]
发射率是指待测目标向外辐射的能量与同一温度和波长下黑体辐射的能量之比，数值介于0和1之间；待测目标的发射率是影响热像仪能否对待测目标进行精准测温的重要参数之一。大气温度是指热像仪镜头与待测目标之间的空气温度。外部光学温度用于补偿或修正被外部光学器件本身的温度对于待测目标的影响。透过率是指热像仪镜头前使用的任何外部镜头或红外窗口的透过率。
[0092]
本实施例应用于轴承座区域温度监测时，得到了如图3所示的降噪后去水雾图像。如图4所示为轧机工作时轴承座区域温度变化曲线，图中椭圆圈住的最低值对应的时间横坐标便是更换轧辊的时刻，与现场工人确认后，由图4得到的换辊时刻正确。如图5所示为轧机停机检修时轴承座区域温度变化曲线，可知大约晚上10点后轧机开始正常工作。图6为轧辊正常工作时的温度变化曲线，可知轴承座的温度基本上在45℃至55℃之间。
[0093]
如图7所示，本实施例还提供一种红外测温系统，包括：
[0094]
红外测温图像获取模块，用于获取待测目标的红外测温图像；
[0095]
环境漫反射光获取模块，用于若红外测温图像存在水雾，则获取环境漫反射光；
[0096]
透射率计算模块，用于根据红外测温图像及环境漫反射光计算大气中传输红外测温图像的光的透射率；
[0097]
去水雾图像获取模块，用于根据红外测温图像、环境漫反射光及透射率得到去水雾图像；
[0098]
待测目标温度获取模块，用于根据去水雾图像得到待测目标的温度。
[0099]
本实施例在待测目标的红外测温图像存在水雾时获取环境漫反射光，根据红外测温图像及环境漫反射光计算大气中传输红外测温图像的光的透射率，根据红外测温图像、环境漫反射光及透射率得到去水雾图像，根据去水雾图像得到待测目标的温度，去除了红外测温图像的水雾，提高了测得的待测目标的温度的准确性。
[0100]
基于与前文所述的红外测温方法同样的发明构思，本实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现前文所述的红外测温方法的任一方法的步骤。
[0101]
其中，总线架构(用总线来代表)，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将包括由处理器代表的一个或多个处理器和存储器代表的存储器的各种电路链接在一起。总线还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路链接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和接收器和发送器之间提供接口。接收器和发送器可以是同一个元件，即收发机，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。处理器负责管理总线和通常的处理，而存储器可以被用
于存储处理器在执行操作时所使用的数据。
[0102]
由于本实施例所介绍的电子设备为实施本发明实施例中红外测温方法所采用的电子设备，故而基于本发明实施例中所介绍的红外测温方法，本领域所属技术人员能够了解本实施例的电子设备的具体实施方式以及其各种变化形式，所以在此对于该电子设备如何实现本发明实施例中的方法不再详细介绍。只要本领域所属技术人员实施本发明实施例中红外测温方法所采用的电子设备，都属于本发明所欲保护的范围。
[0103]
基于与上述红外测温方法同样的发明构思，本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质被执行时实现上述任一红外测温方法。
[0104]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0105]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0106]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0107]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0108]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0109]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。