红外成像人体测温系统软件设计

华中科技大学硕士学位论文红外成像人体测温系统软件设计姓名：任婷婷申请学位级别：硕士专业：光学工程指导教师：曾延安2010-12-30华中科技大学硕士学位论文II摘要红外辐射是一种温度大于绝对零度的物体都会发出的辐射，其辐射能量的强弱取决于物体的温度和辐射能力，而红外热像仪是一种依据物体发出的红外辐射量的差别，实现物体成像和测温功能的装置。人体温度测量是红外热像仪的应用热点之一，本文从人体红外辐射成像和测温为出发点，分析了成像测温系统的结构组成，实现了对连续变化的人体红外辐射的视频成像和温度测量。本文在研究红外成像测温技术的基础上，以非制冷红外红外焦平面阵列传感器及相应的信号处理电路为硬件平台，在Windows环境下，采用面向对象的方法，以VisualC++为工具开发了一套具有红外数据接收、红外图像预处理、实时红外辐射成像、温度测量功能的软件系统。本系统通过USB系统总线，从热像仪端传输红外图像数据到PC端。由于人体红外辐射量低，红外信号成像较暗、目标图像与背景对比度低、边缘模糊、噪声较大，不利于人眼观察。针对以上特点，文中采用了灰度拉伸、灰度级压缩、直方图均衡化、伪彩色增强等方法进行图像的预处理；将处理后的图像作为视频帧，实现了红外辐射的视频成像。根据理论分析和定标实验，建立了温度定标数学模型，实现了热像仪温度的测量；同时，软件提供了点、线、矩形、圆形、折线等多种形状的温度分析方式。目前，软件系统具有友好的人机界面，完善的功能，运行平稳可靠。关键词：红外成像红外测温图像处理面向对象华中科技大学硕士学位论文IIIAbstractEachmaterialthathasatemperatureaboveabsolutezero(-273°C)emitsinfraredradiation,theradiationenergydependsupontheradiator’sabilitytoradiateandtheradiator'stemperature,Infraredcameraisadevicethatformsanimageusinginfraredradiation.Temperaturemeasuringbasedonhumanbodyisoneofthemostimportantapplicationsforthermograghy.Thispapertakesimagingandtemperaturemeasurementbasedonhumanbodyasastartpoint.Itanalyzesthecombinationofimagingandtemperaturemeasurementsystem,andalsoachievesthevideoimagingandtemperaturemeasurementforhumaninfraredradiation.Inthispaperbasedoninfraredthermograghytechnology,wedevelopedsoftwareforaMDK-UFPAthermograghysystemonVisualC++platformusingobject-orientationtechnology.Thissoftwarehasmanyfunctions,suchasdatareceive,videodisplay,temperaturemeasurement.Theinterfaceofperipheralequipmentisuniversalserialbus.WeusethefunctionlibrarygivenbyCypressCompanytocompletethecontrolinstructionoutputanddatainput.Mostofinfraredimagehassomecharacteristics,suchaslowcontrastbetweentargetandbackground,blurrededge,bigbackgroundyawp.Forallthereasonabove,wedosomeprocesstothefourteenbitsdatainputbeforedisplay.Thesealgorithmsarecontrastadjustment,grayscalecompression,histogramequalization,pseudo-colorenhancementalgorithm.Accordingtothetheoryoftemperaturemeasurement,wegetaformulawhichconnectstemperatureofobjectandgrayscaleofimage.Wealsosupplythefunctionofwholeimagetemperaturemeasurementandpartlytemperaturemeasurement.Thesoftwaresystemhasfriendlyman-machineinterfaceandconvenientoperation.Itcanworkwellinwindowssystem.KeyWords:InfraredthermograghyTemperaturemeasurementImageprocessingObject-orientation独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日本论文属于华中科技大学硕士学位论文11绪论1.1红外成像测温技术概述任何温度大于绝对零度的物体都会发出红外辐射，其辐射能量的强弱程度由物体的温度以及物体自身的辐射能力决定。早在1800年，英国物理学家WilliamHerschel在使用温度计以及棱镜时，从发热的角度研究色光时就发觉到了红外线的存在，Herschel将这种经过加热后的物体所发出的射线称为热辐射，并且将红外线定义为与可见光类似的属于光谱波段中的不同部分。此后，随着量子物理学的发展，红外线研究开始从理论研究走向技术创新和开拓应用的发展道路[1]。红外频谱覆盖波长范围为0.7µm~14µm，并被分为短波红外(近红外，覆盖0.7µm~3µm波段)、中波红外(覆盖3µm~5µm)和长波红外(远红外，覆盖5µm~14µm)。大多数红外探测器的响应波段为3µm~5µm和8µm~12µm。热成像技术是利用红外探测器将以上波段的不可见的红外辐射转换成可见图像的一种技术，以该技术为核心所制成的装置称为热像仪。长波红外探测器一般能够响应8µm~12µm这个范围的波长，同时在这个波段内对于不同波长的响应能力基本相同，而且在室温下可以正常工作，拥有足够的响应灵敏度，基于以上这些特点，红外探测器能够实现成像功能。红外热像仪能够检测到物体所产生的红外辐射能量的强弱，并且不论白天还是黑夜都能工作，在特别暗的环境下依然能探测到极温度的微小差别并对物体进行成像[2]。由于大气、烟云等吸收可见光和短波红外，但是对3µm~5µm和8µm~12µm的红外线是透明的，可以将这两个波段称为红外线的“大气窗口”。也正是因为这个原因，我们能够在可见光弱的夜晚和烟云密布的能见度低的恶劣环境清楚地观测到前方的物体。根据以上分析，红外热成像在远距离观测和抗干扰性上具有极大的优势，可以穿透烟尘云雾，全天候长期工作，在军事上和民用上都有极其广泛的应用[3]。在军用领域，主要是对各种距离目标的检测、查找、识别、警告、监控和跟踪，现有的军事产品有红外成像制导、武器平台导航、隐身武器探测系统等。在民用领域，红外成像技术主要应用于工业生产、民用遥感探测、医学检查、电子产品、监测计量华中科技大学硕士学位论文2以及科学研究等方面。由于红外信号一般较弱，其成像画面一般较暗，且目标图像与背景对比度低，边缘模糊，整幅图像噪声较大而且成分复杂。硬件处理由于受到硬件性能的限制，其处理功能不够强，且精度也不够高；软件处理直接在计算机上显示、存储图像，更加方便宜用，便于人机交互，功能强大，精度能满足不同场合的需要。因此，选择软件处理图像的方式能更充分的利用采集的红外数据对视场中的物体进行温度场分析。由于计算机行业的高速发展，便携式计算机的使用使得研究领域和工业领域中产生实时、高分辨率图像来成为可能。对于红外成像测温系统来说，便携式PC与红外热像仪组成的成像及温度分析系统，能清晰显示动态的物体热图像并对物体精确测温。同时计算机强大的图像处理功能，能为监控视场内温度、小目标检测、热像仪方向移动等提供便利。作为非接触式测温方式的一种，利用红外辐射进行温度测量与其它传统的温度测量比较有着很多独特的优点：(1)与一般的接触式温度测量不同的是，红外辐射测温时不需要目标与探测器达到热平衡，排除了这一过程使得整个测温速度加快，无需等待即能实时的获得物体的温度，有利于对目标物体进行动态测量和实时监控；(2)在测量过程中，对红外辐射量的探测不影响被测量的温度场分布，不会引起被测物体的温度变化，使测量的精确度提高；(3)在夜晚或者视线不佳的白天，红外辐射能穿透云雾和伪装，检测到隐藏在暗处的热源，是一种反隐身能力强的伪装检测方法，而且其保密性和抗干扰性优于雷达和激光；(4)温度探测范围比一般测量方法宽，理论上可以测量无限高的温度；(5)由于温度测量过程不需要接触目标物体，红外辐射测温可以实现对一些难以接触的物体，例如大电流导线、运作中的设备、高压输电线等，进行实时的温度检测；(6)可以通过后期图像处理实现对弱小目标的检测，在军事上有强大应用[4]。由于具有上述传统测温技术无法比拟的优势，目前红外测温技术已在建筑、电力工业、石油化工、航天航空、质量检测及冶金等领域中获得广泛应用。1.2红外成像测温技术的国内外发展现状随着红外材料及传感器类型的不断开发研究，新型红外测温设备正逐步替代传统华中科技大学硕士学位论文3的测试手段。九十年代中期美国HoneyWell公司在非制冷微辐射热计红外焦平面阵列制造技术方面取得重大突破，从而使红外系统能够实现在各领域中的广泛应用，因此这种探测器的红外成像技术逐渐成为红外产品开发的重点之一[5]。一直到现在，红外热成像及测温技术还在不断地发展中，并逐渐从军用向民用转化。世界上除了一些大军工企业公司外，许多民用热像仪生产企业也正在积极从事红外测温、热成像技术的研究及产品开发。对于红外成像测温系统的发展，主要是红外图像处理软件方面的发展和红外热像仪硬件方面的发展。软件方面，为了能使红外测温系统的功能更加完善，图像处理效果更符合人们的需要，对系统的软件方面的研究工作也逐渐发展起来。国内早期研究的红外热像仪分析软件大部分是针对制冷型传感器的热像仪，功能相对单一，测量精度较差。目前，尽管市面上已有很多针对非制冷型的热像仪图像分析软件，但他们大多是以串口传入数据，对图像做静态的数据分析的单幅热图像的热像仪图像处理软件。随着计算机技术的迅速发展，红外成像测温软件的发展也取得了长足的进步。目前热像仪的配套软件可实现视频的形式连续成像、温度的动态分析、各种接口的数据传输(串口、USB、网口等)、目标自动检测。而红外热像仪的发展主要表现在其焦平面阵列探测器