一种基于图像拼接的空冷凝汽器散热面温度场测量方法

摘要

本发明公开一种基于图像拼接的空冷凝汽器散热面温度场测量方法，空冷凝汽器散热面大于红外热像仪视场，所述方法包括：利用多台红外热像仪获得整个空冷凝汽器散热面的多幅局部高分辨率红外图像，获取的相邻红外图像间有重叠区域；基于红外图像的灰度投影，利用图像处理方法，对红外图像进行预处理和拼接，获得整个空冷凝汽器散热面的完整红外图像，图像分辨率高，细节信息丰富；基于红外热像仪自身的测温功能，用上述红外图像处理的方法对相应的温度矩阵进行处理，获得整个空冷凝汽器散热面的完整温度矩阵；该方法能够获得整个空冷凝汽器散热面的连续温度场，并且连续温度场细节丰富，适用于根据温度场对空冷系统优化和降低能耗等方面的研究。

主权项

一种基于图像拼接的空冷凝汽器散热面温度场测量方法，空冷凝汽器散热面大于红外热像仪视场，所述方法包括：利用多台红外热像仪获得整个空冷凝汽器散热面的多幅局部高分辨率红外图像，获取的相邻红外图像间有重叠区域；基于红外图像的灰度投影，利用图像处理方法，对红外图像进行预处理和拼接，获得整个空冷凝汽器散热面的完整红外图像，图像分辨率高，细节信息丰富；基于红外热像仪自身的测温功能，用上述红外图像处理的方法对相应的温度矩阵进行处理，获得整个空冷凝汽器散热面的完整温度矩阵；该方法能够获得整个空冷凝汽器散热面的连续温度场，并且连续温度场细节丰富，适用于根据温度场对空冷系统优化和降低能耗等方面的研究；其特征在于，包括以下具体实现步骤：步骤一、在空冷岛搭建四通道红外热像仪测温系统，获取空冷凝汽器散热面的多幅局部高分辨率红外图像，其中，为了便于后续阐述，从上往下依次记为通道一、通道二、通道三、通道四；(1)将四台红外热像仪安装在被测空冷凝汽器散热面相对一侧的清洗支架上，调整四台红外热像仪的姿态使得四台红外热像仪能够覆盖整个空冷凝汽器散热面的纵向范围，并且相邻红外热像仪的视场间有重叠区域，固定红外热像仪；(2)将红外热像仪通过以太网与交换机相连；交换机以无线的方式即时把拍摄的红外图像传送给计算机处理；(3)利用热电偶对红外热像仪的参数进行修正，保证红外热像仪测温结果准确；步骤二、利用搭建好的四通道红外热像仪测温系统，获取空冷凝汽器散热面的多幅局部高分辨率红外图像；获取红外图像时，需要快速移动清洗支架，并且控制清洗支架的单步移动距离，保证相邻两次拍摄的红外图像之间有重叠区域；步骤三、对获取的所有红外图像进行预处理，包括红外图像压缩、红外图像对比度增强和红外图像的几何畸变校正；(1)红外图像对比度增强采用灰度映射算法实现，具体的灰度映射函数如下：$E_H\left(s\right)=\frac{256}{1+{\left(\frac{170}{s+e}\right)}^{10}}$其中，s表示原始图像的灰度值，E_H(s)为对原始图像进行对比度增强后的图像的灰度值，e的引入是为了避免s为零时映射函数无意义情况的发生；(2)红外图像的几何畸变校正采用控制点变换算法实现；由于红外图像由有限数量的基管和不多于两条水平固定杆以及基管之间的翅片组成，纹理比较简单，并且在世界坐标中竖直的基管在红外图像中不再竖直，水平的固定杆也不再水平，依据一组平行的直线在射影几何中交于一个消隐点的理论，通过在畸变图像中寻找四边形的方式构造控制点对，其中，四边形对应于无畸变图像中的矩形；利用控制点对在畸变图像和无畸变图像间的坐标关系求解红外图像间的空间变换矩阵；再利用三次灰度插值算法获得无畸变图像中像素点的灰度信息，实现红外图像的几何畸变校正；(3)为了减小计算量，提高直线提取的精度，在红外图像几何畸变校正之前，首先利用Canny边缘检测算子对图像进行边缘检测，然后基于Radon变换，通过控制Radon变换中线投影的角度分别提取竖线和横线的信息；(4)为了便于后续的阐述，预处理之后的红外图像按通道分别简记为通道一图像、通道二图像、通道三图像和通道四图像；步骤四、对预处理后的红外图像进行配准，以获得整个空冷凝汽器散热面的完整配准图；规定：相邻两幅红外图像在水平方向上存在的偏移量，记为横向偏移量，横向偏移量包括横向粗略偏移量和横向精确偏移量；相邻两幅红外图像在竖直方向上存在的偏移量，记为纵向偏移量，纵向偏移量包括纵向粗略偏移量和纵向精确偏移量；详细步骤如下：(1)基于图像的列灰度投影，利用相位相关法和重叠区域中的基管中心是否对齐求取通道一图像中相邻两幅间的横向精确偏移量和横向配准位置矩阵；在求取横向精确偏移量之前，先求取图像间的横向粗略偏移量；由于预处理之后的红外图像中的竖线保持竖直，因此，红外图像在横向的主要特征是基管、翅片交替排列，在列灰度投影中表现为极大值、极小值交替有规律的出现，其中，极小值的位置对应于基管中心，极大值的位置对应于翅片中心，同样地，基管和翅片的边缘对应于投影曲线中斜率最大的位置，因此，计算同一通道相邻红外图像间的横向粗略偏移量时，只需使用红外图像的列灰度投影进行相位计算；图像的列灰度投影如下：$c\left(j\right)=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{RN}}{\Sigma }}f(i,j)$式中，c(j)为图像f(i,j)第j列的灰度投影，RN为图像的行数；仅存在一个平移量(x₀,y₀)的两幅图像f₁(x,y)和f₂(x,y)的RN行的列灰度投影分别为c₁(x,y)和c₂(x,y)；计算两个列灰度投影之间的互功率谱，然后根据两幅图像列灰度投影的互功率谱的反傅立叶变换在平移量(x₀,y₀)处有明显的峰值，可以得到两幅图像间的横向粗略偏移量；基于已求得的两幅图像间的横向粗略偏移量，可以确定两幅图像间的大致重叠区域；通过对大致重叠区域内的基管中心进行对齐，可以确定两幅图像间的横向精确偏移量；其中，在进行基管对齐之前，首先通过列灰度投影分别检测出两幅图像大致重叠区域中的基管中心，再依据两个先验知识滤除干扰极值点：一是基管中心处的灰度投影为极小值，虽然翅片缝隙比较宽的地方也会出现极小值，但这些极小值一般比较大，二是相邻基管之间的间距为固定值；最后，根据列灰度投影曲线中剩余的极小值位置和分布确定两幅图像间的横向精确偏移量；基于已求得的两幅图像间的横向精确偏移量，可以确定两幅图像间的横向精确重叠区域；选择横向精确重叠区域内最直的匹配基管中心的横坐标为配准位置，由此，可以得到左侧图像的配准位置和右侧图像的配准位置，保存于1行2列的矩阵，记为横向配准位置矩阵；(2)类似地，基于图像的列灰度投影，利用相位相关法和重叠区域中的基管中心是否对齐求取同一时刻的通道一图像和通道二图像间的横向精确偏移量和横向配准位置矩阵；(3)根据(1)求得的通道一图像间的横向精确偏移量和(2)求得的通道一图像、通道二图像间的横向精确偏移量，求取通道二图像间的横向精确偏移量和横向配准位置矩阵；在拍摄过程中，红外热像仪的姿态保持固定，因此，同一时刻的通道一图像和通道二图像间的横向精确偏移量几乎一样，误差不超过两个像素，所以，可以取(2)求得的通道一图像和通道二图像间出现次数最多的横向精确偏移量值作为最终的横向精确偏移量；再将(1)求得的通道一图像间的横向精确偏移量与通道一图像、通道二图像间的横向精确偏移量相减即可获得通道二图像间的横向精确偏移量；同样地，根据(1)能够求得通道二图像间的横向配准位置矩阵；(4)采用类似通道一图像间和通道二图像间横向配准位置矩阵的求法，依次分别求取通道三图像间和通道四图像间的横向配准位置矩阵；(5)根据已求得的单通道图像间的横向配准位置矩阵，从左到右依次对所有的单通道图像进行配准，获得四幅单个通道的完整配准图；由于在拍摄过程中，红外热像仪刚体固定，清洗支架水平移动，并且，单通道的红外图像数量较多，拼接全景图较大，因此，同一通道相邻两幅红外图像间的纵向偏移量忽略不计；(6)基于明显标记，通过鼠标点击的方式依次求取相邻通道完整配准图之间的纵向配准位置矩阵；由于相邻两幅纵向图像间的重叠区域中一般存在明显标记，为了提高图像配准精度，首先通过鼠标点击方式确定包含明显标记点的区域的边界坐标；然后分割出标记点区域图像，对其放大3倍；再在放大的区域图像内部通过鼠标点击方式确定准确的标记点坐标，将标记点在上面一幅图像和下面一幅图像中的纵坐标按次序保存于1行2列的矩阵中，即为纵向配准位置矩阵；(7)根据已求得的单通道完整配准图像间的纵向配准位置矩阵，从上到下依次对所有的单通道完整配准图像进行配准，获得整个空冷凝汽器散热面的完整配准图；步骤五、对已经获得的整个空冷凝汽器散热面的完整配准图，利用步骤四求得的四个单通道图像间的横向配准位置矩阵和三个单通道完整配准图之间的纵向配准位置矩阵，从左到右，从上到下，依次对图像间的每个拼缝进行融合，得到整个空冷凝汽器散热面的完整拼接图；(1)首先对单通道完整配准图中的每个拼缝进行融合；融合方法是以拼缝左侧图像中靠近拼缝的5列灰度值的平均灰度值c_g₀作为参考，计算拼缝右侧图像靠近拼缝的5列的灰度值的平均灰度值c_g₁，记c_g₀和c_g₁的差值为c_dif，拼缝右侧图像的宽度为c_wid，拼缝融合的表达式为：$\mathrm{pc}\_g=-\frac{c\_\mathrm{dif}}{c\_\mathrm{wid}}*\mathrm{len}+c\_\mathrm{dif}+\mathrm{oc}\_g$式中，len为待处理列与拼缝之间的距离，oc_g为待处理列的原始灰度值，pc_g为对待处理列融合处理后的灰度值；根据已经求得的单通道横向配准位置矩阵，从左侧到右侧依次确定每个拼缝的位置，再利用上述方法逐个地对每个拼缝进行融合；(2)对单通道完整配准图间的拼缝进行融合；融合方法与(1)类似，但计算的是拼缝上侧图像中靠近拼缝的5行的灰度值的平均灰度值r_g₀和拼缝下侧图像靠近拼缝的5行的灰度值的平均灰度值r_g₁，记r_g₀和r_g₁的差值为r_dif，拼缝下侧图像的宽度为r_wid，拼缝融合的表达式为：$\mathrm{pr}\_g=-\frac{r\_\mathrm{dif}}{r\_\mathrm{wid}}*\mathrm{hig}+r\_\mathrm{dif}+\mathrm{or}\_g$式中，hig为待处理行与拼缝之间的距离，or_g为待处理行的原始灰度值，pr_g为对待处理行进行融合处理后的灰度值；根据已经求得的单通道完整配准图之间的纵向配准位置矩阵，从上侧到下侧依次确定每个拼缝的位置，再利用上述方法逐个地对每个拼缝进行融合；步骤六、用红外热像仪自带的读温度程序读取红外热像仪获取的所有红外图像的温度矩阵；所使用红外热像仪自带读温度程序，输入量为红外热像仪拍摄的红外图像，输出量为与输入红外图像对应的温度矩阵；步骤七、用步骤三至步骤五所述的红外图像预处理和拼接的方法对读取的温度矩阵做相同处理；(1)首先，用步骤三中的红外图像预处理方法对红外图像对应的温度矩阵做预处理；(2)其次，利用步骤四求得的四个单通道图像间的横向配准位置矩阵和三个单通道完整配准图之间的纵向配准位置矩阵直接对预处理后的温度矩阵进行配准，得到整个空冷凝汽器散热面的完整配准温度矩阵；(3)然后，用步骤五的方法对(2)中的完整配准温度矩阵进行融合，得到整个空冷凝汽器散热面的完整拼接温度矩阵，可以表征整个空冷凝汽器散热面的温度分布；步骤八、对已求得的整个空冷凝汽器散热面的完整拼接温度矩阵进行伪彩色映射；由于空冷凝汽器散热面的温度分布比较集中，如果直接进行颜色映射，得到的伪彩色图像将集中在颜色条很小的范围内，致使图像对比度较低，不利于温度场分析；为了避免这种情况的发生，在进行颜色映射之前，先把温度映射到0～63，映射关系如下式所示：t_o＝63/(t_max‑t_min)*(t‑t_min)其中t_max、t_min分别为最高温度和最低温度，t为输入温度，t_o为映射后的输出值；经过这种变换后的伪彩色图像能够直观地显示空冷凝汽器散热面的温度分布。