楊風(fēng)健, 劉 軍, 貌程浩, 霍旭陽, 彭 成

(1.杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018;

基于MLX90620的低成本紅外熱成像系統(tǒng)設(shè)計*

楊風(fēng)健1, 劉 軍1, 貌程浩1, 霍旭陽2, 彭 成1

(1.杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018;

2.吉林醫(yī)藥學(xué)院 公共衛(wèi)生系，吉林 吉林 132013)

開發(fā)了一種基于非制冷紅外焦平面陣列的紅外熱成像系統(tǒng)。為降低成本，系統(tǒng)選用具有16 pixel×4 pixel輸出像素的紅外焦平面陣列探測器MLX90620進行紅外輻射強度探測。為獲得高分辨率、高質(zhì)量的紅外圖像，提出一種將多項式插值與雙線性插值相結(jié)合的算法，先利用多項式插值提升熱像分辨率至64 pixel×16 pixel，再通過雙線性插值算法擴充分辨率至256 pixel×64 pixel,對人體進行熱成像實驗表明:該算法在提高圖像分辨率的同時，保留了更多的細節(jié)信息。

紅外熱成像； MLX90620； 雙線性插值； 多項式插值

0 引 言

紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射，在常溫下，所有物體都是紅外輻射的發(fā)射源[1]，紅外熱成像系統(tǒng)是利用目標(biāo)物體紅外輻射的可探測性，再利用光電轉(zhuǎn)換、電信號處理等手段，將目標(biāo)物體的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換成紅外熱輻射圖像，相比于單點溫度探測，紅外熱成像可以實現(xiàn)探測器視場內(nèi)的整體區(qū)域溫度分布,一般物體在發(fā)生故障前，都會伴隨溫度的變化，因此，紅外熱成像設(shè)備都是一種快速有效的檢測工具。

在便攜式紅外熱成像設(shè)備中，主要采用非制冷焦平面探測器，由于紅外探測器的制造工藝的限制，國內(nèi)外的紅外探測器的分辨力都比較低，為獲得較高分辨力的紅外熱像,需采用插值算法,現(xiàn)今比較成熟的算法有最鄰近插值、雙線性插值以及三次多項式插值等[2], 最鄰近插值和雙線性插值法相對簡單，處理速度快，但是會產(chǎn)生明顯的方塊效應(yīng)或者細節(jié)模糊的現(xiàn)象;多項式插值放大效果比最近鄰插值、雙線性插值要好，但運算復(fù)雜,效率相對較低。

較大面陣紅外焦平面探測器一般具有320×240或更高的像元數(shù)[3，4]，探測器像元數(shù)越多，售價越高，驅(qū)動也更加復(fù)雜，然而在一些中低端應(yīng)用場合，對熱像分辨率要求并不高，更側(cè)重于目標(biāo)區(qū)域的溫度分布情況。

為了降低紅外熱成像系統(tǒng)的開發(fā)成本，本文設(shè)計了一種基于低分辨率焦平面探測器的低成本紅外熱成像系統(tǒng)，利用軟件實現(xiàn)插值算法提高熱像分辨率，為了克服傳統(tǒng)插值算法的缺點，提出了將多項式插值與雙線性插值相結(jié)合的算法，算法具有圖像清晰度高，運算量相對較小的特點。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

紅外熱成像系統(tǒng)主要由兩大部分組成：基于微控制器的熱像采集裝置設(shè)計和基于VC++的上位機熱像處理與分析軟件設(shè)計，上位機軟件與熱像采集裝置之間通過USB接口進行數(shù)據(jù)通信，如圖1所示，熱像采集裝置以微控制器作為控制核心，其內(nèi)部集成USB通信模塊并具有I2C總線接口，熱像采集裝置通過320×240彩色點陣液晶對采集熱像進行實時顯示，微控制器負責(zé)完成紅外焦平面探測器的驅(qū)動，并將采集到的數(shù)據(jù)通過紅外測溫算法轉(zhuǎn)換為實際溫度值，再通過USB接口將數(shù)據(jù)送入上位機軟件進行數(shù)據(jù)的處理與分析。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

1.2 傳感器驅(qū)動電路設(shè)計

為降低系統(tǒng)成本，選用Melexis公司生產(chǎn)的MLX90620紅外探測器，響應(yīng)光譜范圍:8～14 μm，測溫范圍為-50～300 ℃,通過合理配置，熱靈敏度小于80 mK/℃，MLX90620包含64個紅外探測像元，每個像元都對應(yīng)有低噪聲斬波放大器和高速ADC。本系統(tǒng)選用的紅外探測器視場(FOV)為60°×16.4°。紅外探測器采集數(shù)據(jù)存儲在芯片內(nèi)部RAM中，主控制器可通過I2C總線獲取數(shù)據(jù)，其應(yīng)用電路圖如圖2所示，電路中輸入電源為5 V，紅外探測器在2.6V 時才能發(fā)揮最佳的性能，微控制器選用ST公司32位的STM32F103VET6，該控制器也可以工作在2.6 V低電源電壓下，選用AMS1117—ADJ搭建可調(diào)電源電路，其輸出電壓計算方法如式(1)所示

(1)

將R1,R2分別設(shè)置為100,108Ω，計算輸出電壓約為2.6V，為降低系統(tǒng)噪聲，提高采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，MLX90620的電源和地之間需連接100nFNPO電容器進行退耦。

圖2 紅外探測器應(yīng)用電路

1.3 數(shù)據(jù)處理與USB通信

微控制器通過I2C總線讀取紅外探測器內(nèi)部RAM和EEPROM中的數(shù)據(jù)，探測器的I2C通信速率可達1 000kbit/s，RAM中存儲的是經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、ADC采樣后的與溫度相關(guān)數(shù)據(jù)，EEPROM中存儲的數(shù)據(jù)用于計算目標(biāo)區(qū)域內(nèi)實際溫度值的各項參數(shù)。RAM中的探測數(shù)據(jù)刷新頻率可以在0.5～512Hz范圍內(nèi)設(shè)定，刷新頻率越低，測量結(jié)果越可靠，但是數(shù)據(jù)更新速度會大大降低。

EEPROM中的用于計算溫度的各項參數(shù)只需在系統(tǒng)初始化時讀取一次，存儲在微控制器的RAM中，微控制器需要不斷地從探測器RAM中讀取紅外探測數(shù)據(jù)，并通過式(2)計算實際溫度值

(2)

式中i的范圍為0～3，j的范圍為0～15，VIR(i,j)_COMPENSATED為電壓補償系數(shù)，α(i,j)為單個像素點的靈敏度系數(shù)，Ta為探測器的封裝溫度，這三個系數(shù)也可通過固化在EEPROM中的參數(shù)按照相應(yīng)的計算公式求得。微控制器采用浮點形式存儲各個像素點的溫度數(shù)據(jù)，為將計算結(jié)果保留小數(shù)點后2位，將浮點溫度數(shù)據(jù)乘以1 000后強制轉(zhuǎn)換為整型數(shù)據(jù)，根據(jù)最低位數(shù)據(jù)的大小進行4舍5入后，再將溫度數(shù)據(jù)以十進制形式按位取出后通過USB傳輸給上位機軟件。

USB通信采用全速傳輸模式，最高速率可達12 Mb/s，足以滿足系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)傳輸速率需求，USB具有4種數(shù)據(jù)傳輸類型，根據(jù)系統(tǒng)需要，采用批量傳輸(bulk transmission)類型，單個數(shù)據(jù)包長度設(shè)置為64字節(jié)，因每個像素點的溫度數(shù)據(jù)保留2位小數(shù)，拆分成單個十進制位進行傳輸，所以,一個像素點具有5個字節(jié)數(shù)據(jù)，一幀圖像具有320字節(jié)數(shù)據(jù)，通過USB發(fā)送5個數(shù)據(jù)包可完成一幀數(shù)據(jù)傳送，幀數(shù)據(jù)傳輸格式如圖3所示，SOF和EOF分別為幀起始和幀結(jié)束標(biāo)志符，如果在數(shù)據(jù)包傳輸?shù)倪^程中有數(shù)據(jù)丟失或CRC校驗出錯的情況，則將整幀的數(shù)據(jù)丟棄，等待下一幀熱像數(shù)據(jù)的傳輸。

圖3 幀數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)圖

2 圖像插值算法

微控制器將采集到的數(shù)據(jù)通過USB傳輸給上位機，開發(fā)基于VC++的上位機圖像處理軟件，軟件可直觀顯示每個像素點的平均溫度值，由于系統(tǒng)中紅外探測器的像元數(shù)較少，分辨率較低,僅為16 pixel×4 pixel，因此,需借助上位機軟件采用恰當(dāng)?shù)能浖逯邓惴ㄌ岣邿嵯穹直媛省?/p>

雙線性插值法(bilinear interpolation)的輸出像素值是它在輸入圖像中2×2鄰域采樣點的平均值，它根據(jù)某像素點周圍4個像素的灰度值在水平和垂直2個方向上對其插值。該算法計算量較小[5]，但是，圖像對比度較低，細節(jié)模糊。

三次多項式插值算法(cubic polynomial interpolation)采用源圖像中待采樣像素點周圍 16個相鄰像素點來做插值運算，利用三次多項式來近似地逼近理想的插值函數(shù),該插值算法的運算復(fù)雜度較高[5]，但插值圖像效果較清晰，對比度較高。

結(jié)合2種算法的不同特點，本文先對原始熱像圖采用三次多項式插值算法，將圖像分辨率由16 pixel×4 pixel提高到64 pixel×16 pixel，目的是增強圖像對比度，使得熱像圖的高低溫差更明顯，為了減少計算量，再采用雙線性插值算法將圖像分辨率提高到256poxel×64 pixel。圖4所示為紅外探測器采集的人體軀干部位的原始熱像圖，圖5～圖8分別為采用雙線性插值算法、多項式插值算法、雙線性插值+多項式插值算法以及本文采用的算法所得到的熱像圖，這4種插值算法插值得到的圖像分辨率均為256 pixel×64 pixel。主觀觀察4幅圖片，圖8的高低溫分布更加明顯，圖像效果與實際情況更加接近。

圖4 原始熱像圖

圖5 雙線性插值

圖6 多項式插值

圖7 雙線性+多項式插值

圖8 多項式+雙線性插值

3 實驗結(jié)果

為了客觀評價本文算法(多項式+線性插值)的處理效果，采用熵(entropy)和平均梯度(gavg)來進行定量評價插值圖像效果。平均梯度反映了圖像中微小細節(jié)反差與紋理變化特征及清晰度，平均梯度越大，表示放大圖像清晰度越高，放大效果越好。圖像的熵反映圖像包含的信息量，熵越大，信息量越大，插值放大效果越好[6]。采用Matlab對4幅熱像圖片進行熵和平均梯度的計算，實驗結(jié)果如表1所示，可以看出:本文提出的算法平均梯度和熵值最大，對于提高插值圖像清晰度和改善插值圖像的質(zhì)量優(yōu)于其它3種算法。

表1 四種插值算法的性能比較

Tab 1 Comparison of characteristics of four kinds of interpolation algorithms

熵平均梯度雙線性1.83350.8037多項式1.84560.8101雙線性+多項式2.15380.7047多項式+雙線性2.17020.8808

4 結(jié) 論

在一些對熱像分辨率要求不高的場合，需要一種低成本的熱成像解決方案。本系統(tǒng)基于紅外焦平面探測器采集紅外輻射強度，利用紅外測溫原理和計算方法得到各像素點的實際溫度值，通過USB通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C軟件,軟件采用圖像插值算法提高圖像分辨率,降低了紅外熱成像系統(tǒng)的成本。

經(jīng)過對人體軀干部熱成像測試表明:本系統(tǒng)可實現(xiàn)對目標(biāo)物體的實時紅外熱像顯示，多項式插值與雙線性插值相結(jié)合的算法滿足本系統(tǒng)對于圖像清晰度和速度的使用需求，可實現(xiàn)從16 pixel×4 pixel到256 pixel×64 pixel的圖像分辨率轉(zhuǎn)換。

[1] 徐 薇，楊 衛(wèi).一種紅外傳感器陣列探測方法的研究[J].傳感器與微系統(tǒng), 2009,28(9):16-18.

[2] 李懷瓊，陳 錢，隋修寶.基于邊緣保護的紅外圖像插值放大算法[J].兵工學(xué)報, 2006,27(4):655-658.

[3] 陳伯良.紅外焦平面成像器件發(fā)展現(xiàn)狀[J].紅外與激光工程,2005, 34(1):1-7.

[4] 譚欽紅,任其干,吳傳璽,等.384x288非制冷紅外焦平面陣列驅(qū)動電路的設(shè)計[J].紅外與激光工程,2012,41(2):316-319.

[5] 蔡占川，鄭才目，黃 靜,等.基于混合型多結(jié)點樣條插值曲面的圖像放大方法[J].中山大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011,50(2):16-19.

[6] 龔昌來,羅 聰,楊冬濤,等.基于線性插值和正弦灰度變換的紅外圖像放大[J].光電工程, 2013,40(2):110-113.

劉 軍，通訊作者,E—mail:ljun77@163.com。

Design of low-cost infrared thermal imaging system based on MLX90620*

YANG Feng-jian1, LIU Jun1, MAO Cheng-hao1, HUO Xu-yang2， PENG Cheng1

(1.College of Electronic and Information Engineering，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China;2.Department of Public Health，Jilin Medical College，Jilin 132013，China)

An infrared thermal imaging system based on un-cooled infrared focal plane array technology is presented.To reduce costs, a 16pixel×4 pixel infrared focal plane array detector MLX90620 is used to detect the infrared intensity of radiation.An improved algorithm which combines bilinear interpolation and polynomial interpolation is used to get high quality and high resolution infrared image,and the image is interpolated by polynomial interpolation, to improve its resolution to 64pixel×16 pixel,then bilinear interpolation method is adopted to advance image resolution from 64pixel×16 pixel to 256pixel×64 pixel.Experiments on human body shows that the algorithm can not only improve image resolution, but also keep more details．

infrared thermal imaging; MLX90620; bilinear interpolation; polynomial interpolation

2015—03—11

2014年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃(新苗人才計劃)資助項目(2014R407067)

10.13873/J.1000—9787(2015)11—0109—03

TN 216

A

1000—9787(2015)11—0109—03

楊風(fēng)健(1987-)，男，吉林省德惠人，碩士，主要從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用方向的研究。