王攀 丁永麗

1.浙江漢振智能技術(shù)有限公司 浙江 杭州 311400；

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1 紅外熱成像人體體溫監(jiān)測(cè)市場(chǎng)現(xiàn)狀

新冠疫情以來，用于監(jiān)測(cè)人體體溫的紅外熱成像設(shè)備遍布于機(jī)場(chǎng)，火車站，醫(yī)院，學(xué)校等人流量較大的出入口處。紅外熱成像市場(chǎng)和技術(shù)都得到了快速的發(fā)展，隨著國產(chǎn)紅外探測(cè)器的成熟以及量產(chǎn)，在紅外熱成像設(shè)備中成本占比最大的紅外熱成像探測(cè)器的價(jià)格在逐步降低。民用領(lǐng)域越來越多的領(lǐng)域開始引用紅外熱成像技術(shù)。

目前紅外熱成像機(jī)芯成熟的市場(chǎng)普遍在軍工和工業(yè)領(lǐng)域，軍工領(lǐng)域主要應(yīng)用于跟蹤導(dǎo)彈，狙擊輔助。工業(yè)領(lǐng)域主要應(yīng)用于電力設(shè)備維護(hù)，工業(yè)視覺檢測(cè)等。抗疫使用的紅外熱成像體溫監(jiān)測(cè)市場(chǎng)，被一些醫(yī)療設(shè)備企業(yè)看重。但是由于單個(gè)成本較高，難以在醫(yī)院系統(tǒng)批量布置。因此本文通過改進(jìn)方案，縮減成本的方式使紅外熱成像體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在以單位床位布局一臺(tái)的情況下，保證總體項(xiàng)目達(dá)到一個(gè)醫(yī)院能接受的范圍[1]。

2 病床病人體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

在每個(gè)病床的上方安裝一臺(tái)紅外熱成像機(jī)芯。機(jī)芯鏡頭照射在病床床頭部分，使病人頭部以及肩部能處于相機(jī)畫面當(dāng)中。相機(jī)采用WIFI網(wǎng)絡(luò)無線連接至專用局域網(wǎng)。組網(wǎng)使用無線路由器組網(wǎng)。所有的相機(jī)將拍攝到的紅外圖像進(jìn)行體溫識(shí)別，將溫度信息連同受控實(shí)時(shí)傳送的圖像信息上傳至醫(yī)院專用服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)信息管理。

3 紅外熱成像相機(jī)的設(shè)計(jì)方案

紅外熱成像探測(cè)器的輸出模擬信號(hào)經(jīng)過高速AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入到FPGA內(nèi)部進(jìn)行紅外原始圖像的校正、對(duì)比度拉伸、圖像濾波、二值化檢測(cè)有用像元。輸出的圖像經(jīng)圖像處理CPU進(jìn)行目標(biāo)溫度值檢測(cè)并發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)。

4 對(duì)紅外熱成像機(jī)芯現(xiàn)有技術(shù)的重點(diǎn)改造

（1）探測(cè)器選型：相比較市場(chǎng)上可用于圖像識(shí)別的紅外熱成像機(jī)芯來講，分辨率由于需求場(chǎng)景圖像的動(dòng)態(tài)特性較低，且識(shí)別區(qū)域較為固定，因此可以將常用的384×288分辨率降低為160×120。且探測(cè)器工作環(huán)境為室溫波動(dòng)性非常小的病房，這就致使可以不使用帶有TEC制冷功能的探測(cè)器就能滿足設(shè)計(jì)需求。因此選定大立科技的DM1716A探測(cè)器作為圖像傳感器，DM1716A是一款非制冷性紅外陣列傳感器，其分辨率為160×120，由非晶硅材料制成，無TEC控制，適用于室溫條件下運(yùn)行。

（2）探測(cè)器主控FPGA選型：由于探測(cè)器分辨率的降級(jí)，因此也可以將常用于384×288匹配的FPGA進(jìn)行降級(jí)選型。本設(shè)計(jì)采用XILINX公司的spartan-6系列FPGA作為控制器。

（3）圖像識(shí)別檢測(cè)處理器：圖像識(shí)別檢測(cè)處理器的主要功能是，將圖像降低幀頻，并計(jì)算圖像目標(biāo)區(qū)域溫度值，將溫度值間隔定時(shí)通過WIFI模塊發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，上傳上報(bào)服務(wù)器，在用戶端有需要時(shí)，可以實(shí)時(shí)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送圖像信息。

5 圖像處理算法設(shè)計(jì)

（1）圖像校正算法設(shè)計(jì)：紅外芯片由于工藝問題存在嚴(yán)重的非均勻性，所以非均勻矯正一直是影響紅外圖像質(zhì)量的第一因素。非均勻矯正的算法也是紅外圖像處理研究的重點(diǎn)區(qū)域，建立了一些矯正的方式方法。其中最常用最簡(jiǎn)單的就應(yīng)該算是兩點(diǎn)溫度定標(biāo)算法。

紅外焦平面陣列像元在均勻輻射背景條件下的輸出為：

式子中E為輻射強(qiáng)度，aij和bij分別為增益和偏移量。對(duì)于每一個(gè)陣列像元，aij和bij都是固定的，并不隨時(shí)間變化。因此采用兩點(diǎn)校正法計(jì)算出每個(gè)像元的增益常數(shù)和偏移量常數(shù)，并將此參數(shù)代入到每一幀圖像中的每一個(gè)像元中，即可實(shí)現(xiàn)灰度圖畫面輸出。式子變換為

式中Gij和Oij分別為兩點(diǎn)校正的校正增益和校正偏移量常數(shù)，Yij為校正后的灰度圖像輸出。

實(shí)際操作時(shí)將探測(cè)器照射在溫度值均勻的黑體參照物上，然后設(shè)置不同的黑體溫度采集出一個(gè)高溫?cái)?shù)據(jù)和低溫?cái)?shù)據(jù)，從而計(jì)算出Gij和Oij。至此完成了紅外圖像的非均勻性校正。

（2）圖像增強(qiáng)算法設(shè)計(jì)：從原始圖像的直方圖查看出，一般一副圖像的灰度值集中分布在某一段數(shù)值范圍內(nèi)，拿14位的紅外灰度圖像來講，圖像像素灰度值集中在4000～8000的范圍。對(duì)于14位二進(jìn)制表達(dá)的范圍0～16383來講，只占用了其中一段的數(shù)值表達(dá)。因此增強(qiáng)的目的是將原本集中在某一段數(shù)值區(qū)的像素值按比例映射分布在全范圍表達(dá)值區(qū)域。

（3）去除無意義像元：由于人體溫度有效范圍是35-40度區(qū)間，因此為了降低圖像的數(shù)據(jù)量，在檢測(cè)溫度值之前將灰度圖中無意義的溫度像元去除。至此減輕了目標(biāo)溫度值檢測(cè)CPU的負(fù)載量。

（4）提取溫度值：使用窗口法在圖像中自上而下的檢測(cè)溫度值，將窗口設(shè)計(jì)為3×3的窗口，對(duì)窗口滑動(dòng)過的區(qū)域進(jìn)行均值濾波，并輸出每次滑塊劃過的平均值。最終將一幅圖中最高的平均值確定為體溫最高溫度值。

6 結(jié)束語

本章根據(jù)病床固定區(qū)域檢測(cè)，且工作室溫穩(wěn)定的場(chǎng)景下設(shè)計(jì)了一款價(jià)格成本較低的紅外熱成像體溫監(jiān)測(cè)方案。算法設(shè)計(jì)上在工業(yè)紅外熱像機(jī)芯的基礎(chǔ)上進(jìn)行定制，裁剪得到低分辨率，低數(shù)據(jù)流，低速率溫度值輸出，以及低功耗的方案實(shí)現(xiàn)了從紅外圖像校正處理，灰度圖的對(duì)比度動(dòng)態(tài)拉伸，濾波，人臉識(shí)別等一系列原本復(fù)雜的紅外圖像處理方案。使用現(xiàn)有成熟的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，與醫(yī)院現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)護(hù)士在任意位置都可以即時(shí)感知到病人的體溫狀況。