红外序列图像历史趋势分析方法

摘要

红外序列图像历史趋势分析方法，属于设备故障诊断领域，解决红外热图像配准问题，此基础上进行历史趋势分析。本发明步骤为：1将待分析设备不同时期拍摄的红外热图像整理到一个分析文件夹中；2用户手工输入定位点，利用仿射变换矩阵、投影变换矩阵或二次型变换矩阵，然后用双线性内插，对图像几何校正，按照参考图像的空间位置配准；3利用热像仪“面扫描”的特点，在图像上搜索，得到各兴趣点位置及温度，绘出并显示该设备在此兴趣点不同时期温度的变化曲线图。本发明实现了设备红外热图的历史趋势分析，为红外热像仪增添动态分析能力；还可以通过与历史温度变化情况的比较观察出异常的温度变化发现故障早期征兆，防范于未然。

说明书

技术领域

本发明属于设备故障诊断领域，提出一种利用红外序列图像进行设备故障诊断的历史趋势分析方法。

背景技术

红外热像仪及其图像分析软件目前已经广泛应用于红外设备故障诊断领域，实用中主要是通过红外热像仪的测温功能对设备的温度进行测量，发现设备的热故障。相对于接触式测量手段，热像仪是非接触式的在线检测，即可以在设备不停机的情况下进行在线的非接触的温度测量；相对于点温仪，热像仪是面扫描，它采集的是一个投影平面上的所有点的温度值；而且其给出的结果直观，通过伪彩色增强，高温和低温区域可以以直观的方式表现出来。

目前红外热像仪及其软件在使用上仅限于单图分析，软件的主要功能是对采集的单幅图像进行基本的图像处理(如滤波锐化和伪彩色增强等处理)、测温及辅助分析和生成报告等。这种方法本质上是一种静态的方法，适用于故障已经发生后的快速故障定位，具体说就是当设备已经发生热故障的时候，使用热像仪对设备进行扫描，利用热像仪的上述优点，迅速找到发生热故障的位置。

如果用户需要查询某设备的历史情况，目前必须要手工查找历史红外热图像，再按照单图分析的功能进行分析。因为每次拍摄的时候热像仪和设备的相对位置、角度等诸多因素不可能完全一样，这样得到的同种设备的红外热图在空间位置上存在着差异。因此，在目前的红外软件中，如果用户需要对设备做长期的观测和记录，只能采用手工标注兴趣点并使用其他手段记录，这样一方面效率低下，另一方面丧失了热像仪特有的“面扫描”的优点，热像仪被退化到了点温仪的功能进行使用。对设备温度变化的历史过程进行分析并绘制历史曲线的用户需要，目前应用均无法满足。

发明内容

本发明提供一种红外序列图像历史趋势分析方法，解决红外热图像的配准问题，在配准的红外图像上消除空间位置的差异，在此基础上再进行历史趋势分析，提高效率、充分发挥热像仪“面扫描”的优点，赋予红外热像仪以动态分析能力。

本发明的一种红外序列图像历史趋势分析方法，依序包括下述步骤：

(1)将待分析设备的不同时期拍摄的红外热图像整理到一个分析文件夹中；

(2)用户手工输入定位点，利用仿射变换矩阵、投影变换矩阵或二次型变换矩阵，然后用双线性内插方法，执行几何校正操作，对上述图像几何校正，将这些图像按照参考图像的空间位置配准；

(3)利用热像仪“面扫描”的特点，在图像上搜索和拾取兴趣点，得到各兴趣点位置及温度，绘出并显示该设备在此兴趣点不同时期温度的变化曲线图。

所述的红外序列图像历史趋势分析方法，其特征在于：将所述兴趣点的温度变化曲线数据导入到Excel软件中进行进一步的分析和报告；用户还可以把包括校正后图像、兴趣点位置及温度的所有分析数据保存到一个视频文件中，方便用户进行分析数据的交流和共享。

本方法可以实现设备红外热图的历史趋势分析，帮助用户建立设备温度变化档案、整理出设备温度变化规律、摸透设备的“习性”，为红外热像仪的这一静态分析工具增添动态分析能力。另一方面，故障的发生通常是有一个过程的，本方法可以在故障尚未发生前，通过和历史温度变化情况的比较观察出异常的温度变化来发现故障的早期征兆，做到“防范于未然”。

附图说明

图1为本发明的流程框图；

图2为文件夹管理的实现流程框图；

图3为红外文件管理功能实现框图；

图4是日光灯关闭电源后连续拍摄的、未做几何校正的红外序列图像；

图5是图4所示图像的温度变化图；

图6是图4所示图像校正后的序列图像；

图7是图6所示图像的温度变化图。

具体实施方式

以下结合图1说明本发明的流程：

申请人在计算机的红外分析软件中实现了红外文件管理功能，用户可以在分析软件中将不同时期拍摄的红外热图像进行分类管理，将待分析设备的不同时期图像通过此功能整理到一个分析文件夹中；其次，通过用户手工输入的定位点，利用仿射、投影或二次型变换矩阵对这些图像执行几何校正操作，将这些图像按照参考图像的空间位置配准。然后，用户可以利用热像仪“面扫描”的优点在图像上搜索和拾取兴趣点，软件自动显示该设备在此空间点不同时期的温度变化曲线图。最后用户可以把兴趣点的温度变化曲线数据导入到Excel或Avi等其他软件中进行进一步的分析和报告，用户还可以把所有分析数据(包括校正后图像、兴趣点位置及温度)保存到一个视频文件中，方便用户进行分析数据的交流和共享。Excel是美国微软公司Office套件的图表分析工具；Avi是Windows标准视频文件格式。

1.文件管理功能：

文件管理功能包括两部分：文件夹管理功能和红外文件管理功能。本部分功能通过访问操作系统文件系统功能来实现。首先通过文件系统功能调用获得计算机系统中的文件目录树，当用户在某个文件夹双击鼠标后执行目录的导航功能进入此文件夹，然后再通过系统功能调用获得本文件夹中所有红外文件，依次读入红外文件并将热图显示在GUI(图形用户接口)界面上。当用户在目录树组件上点击右键弹出文件夹管理菜单，包括：新建、重命名、删除文件夹及全部选中等菜单，在GUI界面上，用户选中某幅红外热图后，在界面上点击鼠标右键弹出文件管理菜单，包括：拷贝、粘贴、删除、剪切及重命名等功能，在GUI界面中还显示了当前选中热图的属性，这些属性包括从红外文件中得到的测温档、发射率、环境温度等信息，还包括用户输入的设备名称、图像采集时间、设备负载等信息，这些信息以文本文件的形式保存在当前文件夹中。

图2为文件夹管理的实现流程框图，其中标明(os)的功能均为调用操作系统功能调用实现，框图中没有包含异常处理(比如文件夹重名等特殊情况的处理)，对发生的所有异常，均停止当前操作，并弹出提示对话框：

在GUI的图像工作区点击鼠标右键弹出文件管理菜单，图3为红外文件管理功能实现框图。图中“公共数据结构”包括以下信息：文件名列表、所在文件夹、操作的命令字(是剪切还是复制)等信息。图中“属性”指的是红外热图的属性，这些属性包括从红外热图文件中得到的测温档、发射率、环境温度等信息，也包括用户输入的设备名称、图像采集时间、设备负载等信息，这些信息以文本文件的形式保存在当前文件夹中，在执行文件管理操作时需要维护这些属性信息，保证属性和文件之间的同步。

这些功能的实现均调用文件系统功能调用实现，下面以剪切、粘贴操作为例，说明实现过程。用户选中一个或多个红外热图后，点击剪切后，剪切菜单对应的事件处理程序将文件名保存到上述“公共数据结构“中，当导航到另一文件夹后点击粘贴时，软件查询这个数据结构获得文件名列表，并调用系统功能调用执行复制操作复制这些文件到当前文件夹(也需复制原图属性信息)，如果操作类型是剪切，则在原文件夹中调用系统功能调用删除这些文件(也需删除原图属性信息)。

2.仿射变换的几何校正参数的计算：

设由基准图找出三个点(r₁，s₁)，(r₂，s₂)，(r₃，s₃)，与畸变图上三个点坐标(u₁，v₁)，(u₂，v₂)，(u₃，v₃)一一对应，则

                              x′＝h₁(x，y)＝a₀+a₁x+a₂y

                              y′＝h₂(x，y)＝b₀+b₁x+b₂y

把对应点代入，写成矩阵形式

$>\left(\begin{array}{}>>>>u>1>>=>>a>0>>+>>a>1>>>r>1>>+>>a>2>>>s>1>>>>>>>u>2>>=>>a>0>>+>>a>1>>>r>2>>+>>a>2>>>s>2>>>>>>>u>3>>=>>a>0>>+>>a>1>>>r>3>>>>+>a>>2>>>s>3>>>>>\left(\begin{array}{}>>>>u>1>>>>>>>u>2>>>>>>>u>3>>>>>>=>\begin{array}{}>>>1>>>>r>1>>>>>s>1>>>>>>1>>>>r>2>>>>>s>2>>>>>>1>>>>r>3>>>>>s>3>>>>>>\begin{array}{}>>>>a>0>>>>>>>a>1>>>>>>>a>2>>>>>>>s>\end{array}\end{array}\end{array}\right)\end{array}\right)$

$>\left(\begin{array}{}>>>>v>1>>=>>b>0>>+>>b>1>>>r>1>>+>>b>2>>>s>1>>>>>>>v>2>>=>>b>0>>+>>b>1>>>r>2>>+>>b>2>>>s>2>>>>>>>v>3>>=>>b>0>>+>>b>1>>>r>3>>>>+>b>>2>>>s>3>>>>>\left(\begin{array}{}>>>>>v>1>>>>>>>v>2>>>>>>>v>3>>>>>>=>\begin{array}{}>>>1>>>>r>1>>>>>s>1>>>>>>1>>>>r>2>>>>>s>2>>>>>>1>>>>r>3>>>>>s>3>>>>>>\begin{array}{}>>>>>b>0>>>>>>>b>1>>>>>>>b>2>>>>>>>s>\end{array}\end{array}\end{array}\right)\end{array}\right)$

可联立解出a₀，a₁，a₂，b₀，b₁，b₂ 6个系数，确立h₁(x，y)和h₂(x，y)，然后用下述双线性内插方法，执行几何校正操作。

3.投影变换的几何校正参数的计算：

设由基准图找出四个点，与畸变图上四个点坐标一一对应，则

           x′＝a₀+a₁x+a₂y+a₃xy

           y′＝b₀+b₁x+b₂y+b₃xy

有8个未知量，需要4个对应已知坐标点

                 (x₁，y₁)(x₂，y₂)(x₃，y₃)(x₄，y₄)

                 (x′₁，y′₁)(x′₂，y′₂)(x′₃，y′₃)(x′₄，y′₄)

矩阵形式：

$>>\begin{array}{}>>>>>x>1>>\prime >>>>>>>>x>2>>\prime >>>>>>>>x>3>>\prime >>>>>>>>x>4>>\prime >>>>>>=>\begin{array}{}>>>1>>>>x>1>>>>>y>1>>>>>x>1>>>y>1>>>>>>1>>>>x>2>>>>>y>2>>>>>x>2>>>y>2>>>>>>1>>>>x>3>>>>>y>3>>>>>x>3>>>y>3>>>>>>1>>>>x>4>>>>>y>4>>>>>>x>4>>>y>4>>>>>>>\begin{array}{}>>>>a>0>>>>>>>a>1>>>>>>>a>2>>>>>>>a>3>>>>>>>s>\end{array}\end{array}\end{array}$

可联立解出a₀，a₁，a₂，a₃，b₀，b₁，b₂，b₃ 8个系数，确立h₁(x，y)和h₂(x，y)，然后用下述双线性内插方法，执行几何校正操作。

4.二次型的几何校正参数的计算：

设由基准图找出六个点，与畸变图上六个点坐标一一对应，则

                x′＝a₀+a₁x+a₂y+a₃x²+a₄xy+a₅y²

                y′＝b₀+b₁x+b₂y+b₃x²+b₄xy+b₅y²

有12个未知量，需要6个对应已知坐标点

               (x₁，y₁)(x₂，y₂)(x₃，y₃)(x₄，y₄)(x₅，y₅)(x₆，y₆)

               (x′₁，y′₁)(x′₂，y′₂)(x′₃，y′₃)(x′₄，y′₄)(x′₅，y′₅)(x′₆，y′₆)

矩阵形式：

$>>\begin{array}{}>>sup>>x>1>\prime sup>>>>>sup>>x>2>\prime sup>>>>>sup>>x>3>\prime sup>>>>>sup>>x>4>\prime sup>>>>>sup>>x>5>\prime sup>>>>>sup>>x>6>\prime sup>>>>>>=>\begin{array}{}>>>1>>>>x>1>>>>>y>1>>>>>>x>1>>2>>>>>x>1>>>y>1>>>>>>y>1>>2>>>>>>1>>>>x>2>>>>>y>2>>>>>>x>2>>2>>>>>x>2>>>y>2>>>>>>y>2>>2>>>>>>1>>>>x>3>>>>>y>3>>>>>>x>3>>2>>>>>x>3>>>y>3>>>>>>y>3>>2>>>>>>1>>>>x>4>>>>>y>4>>>>>>x>4>>2>>>>>x>4>>>y>4>>>>>>y>4>>2>>>>>>1>>>>x>5>>>>>y>5>>>>>>x>5>>2>>>>>x>5>>>y>5>>>>>>y>5>>2>>>>>>1>>>>x>6>>>>>y>6>>>>>>x>6>>2>>>>>x>6>>>y>6>>>>>>y>6>>2>>>>>>\begin{array}{}>>>>a>0>>>>>>>a>1>>>>>>>a>2>>>>>>>a>3>>>>>>>a>4>>>>>>>a>5>>>>>>>s>\end{array}\end{array}\end{array}$

可联立解出a₀，a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，b₀，b₁，b₂，b₃，b₄，b₅ 12个系数，确立h₁(x，y)和h₂(x，y)，然后用下述双线性内插方法，执行几何校正操作。

5.几何校正的双线性内插：

设基准坐标系统为等距网格，从该网格上图像点(x₀，y₀)出发，算出在已知畸变坐标图像上的一点(α，β)

                           (x′₁，y′₁)      (x′₁+1，y′₁)

                                      (α，β)

                           (x′₁，y′₁+1)    (x′₁+1，y′₁+1)

设(α，β)落在上述四个点中间。

设

                 x′₁≤α≤x′₁+1    α′≤α-x′₁

                 y′₁≤β≤y′₁+1    β′≤β-y′₁

则复原点上红外温度值为

            f(x₀，y₀)＝(1-α′)(1-β′)g(x′₁，y′₁)+α′(1-β′)g(x′₁+1，y′₁)

                       +(1-α′)β′g(x′₁，y′₁+1)+α′β′g(x′₁+1，y′+1)

6.温度变换曲线的获得：

在GUI的图像工作区中的第一幅为参考图像，其他热图为样本图像，在参考图像和需要校正的样本图像上输入定位点(根据仿射、投影、二次型等不同方法分别依次输入3，4，6个定位点)执行几何校正后，图像上空间位置具备可比性，校正后的热图空间信息来自参考图像，温度信息来自未校正的原始样本图，即完成了图像的配准。

当用户在配准后的图像上移动鼠标时，软件依次对分析文件夹的每幅热图的相同空间位置进行测温，获得一个横轴为时间纵轴为温度的温度变换曲线图，这个曲线图反映了不同时期该设备在此空间位置的温度变化。

至此可以看到，该设备不同时期拍摄的热图经过配准，空间位置一致，则用户可以以习惯的、热像仪特有的“面扫描”方式获得该设备某点的温度变换曲线图。

考虑到本分析方法的主要工作量是手工输入定位点的过程，本方法仅对输入了定位点的图像才执行几何校正，这样对已经校正过的图像，用户不必重复输入定位点，只需要对参考图像和新采集的、没有配准的图像输入定位点即可，避免了重复工作。

7.导入到Excel和生成Avi：

用户输入兴趣点后，软件把每个兴趣点的温度数据以及文件名、测温档、发射率、环境温度、负载等信息保存到于Excel兼容格式的文本文件中，在Excel中可以使用“导入外部数据”功能将此数据导入。这样用户可以在Excel中进行进一步的分析，例如：获得两个兴趣点的温差变化曲线等等。

用户还可以把图像数据及分析数据输出到一个Avi文件中。本功能的实现方法是，对分析文件夹中的每幅热图，先按照温标执行伪彩色增强形成设备无关位图，在这一系列的位图上标注兴趣点位置，并在位图空白区域显示兴趣点温度、环境温度、发射率等信息获得新的位图，在使用系统功能调用将这一系列的位图生成一个Avi文件。

这样做的目的不仅仅是更直观的显示分析结果，更方便了红外故障诊断知识的交流和共享，例如：高一级的红外故障诊断研究机构可以把一些典型设备的长期观测结果的保存成动画文件，低一级的红外故障操作机构可以通过Internet获得这些资料，并和自己的分析结果进行对比，更好的进行设备故障诊断工作。

图4是日光灯稳定工作一段时间后关闭电源以5秒为间隔连续拍摄的、未做几何校正的红外序列图像。在相同空间位置上，在第1，2幅图中兴趣点处于日光灯电极处，但在后面的图中，兴趣点明显在电极之外，这样拿电极处的温度和背景的温度比较没有任何价值，从图5的温度变化图中可以看到这个温度变化毫无规律可言。

图6是图4所示图像校正后的序列图像。从图6中可以看出，所有兴趣点都处于热点区域内，在图7的温度变化曲线图上可以看出关闭电源后日光灯电极处温度的负指数下降的变化规律。