楊風(fēng)健, 劉 軍, 貌程浩, 霍旭陽(yáng), 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(jì)*

楊風(fēng)健1, 劉 軍1, 貌程浩1, 霍旭陽(yáng)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(kāi)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(cè)器MLX90620進(jìn)行紅外輻射強(qiáng)度探測(cè)。為獲得高分辨率、高質(zhì)量的紅外圖像，提出一種將多項(xiàng)式插值與雙線性插值相結(jié)合的算法，先利用多項(xiàng)式插值提升熱像分辨率至64 pixel×16 pixel，再通過(guò)雙線性插值算法擴(kuò)充分辨率至256 pixel×64 pixel,對(duì)人體進(jìn)行熱成像實(shí)驗(yàn)表明:該算法在提高圖像分辨率的同時(shí)，保留了更多的細(xì)節(jié)信息。

紅外熱成像； MLX90620； 雙線性插值； 多項(xiàng)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(cè)性，再利用光電轉(zhuǎn)換、電信號(hào)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(diǎn)溫度探測(cè)，紅外熱成像可以實(shí)現(xiàn)探測(cè)器視場(chǎng)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(huì)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(cè)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(cè)器，由于紅外探測(cè)器的制造工藝的限制，國(guó)內(nèi)外的紅外探測(cè)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(xiàng)式插值等[2], 最鄰近插值和雙線性插值法相對(duì)簡(jiǎn)單，處理速度快，但是會(huì)產(chǎn)生明顯的方塊效應(yīng)或者細(xì)節(jié)模糊的現(xiàn)象;多項(xiàng)式插值放大效果比最近鄰插值、雙線性插值要好，但運(yùn)算復(fù)雜,效率相對(duì)較低。

較大面陣紅外焦平面探測(cè)器一般具有320×240或更高的像元數(shù)[3，4]，探測(cè)器像元數(shù)越多，售價(jià)越高，驅(qū)動(dòng)也更加復(fù)雜，然而在一些中低端應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)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(kāi)發(fā)成本，本文設(shè)計(jì)了一種基于低分辨率焦平面探測(cè)器的低成本紅外熱成像系統(tǒng)，利用軟件實(shí)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(diǎn)，提出了將多項(xiàng)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(yùn)算量相對(duì)較小的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jì)和基于VC++的上位機(jī)熱像處理與分析軟件設(shè)計(jì)，上位機(jī)軟件與熱像采集裝置之間通過(guò)USB接口進(jìn)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(guò)320×240彩色點(diǎn)陣液晶對(duì)采集熱像進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，微控制器負(fù)責(zé)完成紅外焦平面探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)紅外測(cè)溫算法轉(zhuǎn)換為實(shí)際溫度值，再通過(guò)USB接口將數(shù)據(jù)送入上位機(jī)軟件進(jìn)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(dòng)電路設(shè)計(jì)

為降低系統(tǒng)成本，選用Melexis公司生產(chǎn)的MLX90620紅外探測(cè)器，響應(yīng)光譜范圍:8～14 μm，測(cè)溫范圍為-50～300 ℃,通過(guò)合理配置，熱靈敏度小于80 mK/℃，MLX90620包含64個(gè)紅外探測(cè)像元，每個(gè)像元都對(duì)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(cè)器視場(chǎng)(FOV)為60°×16.4°。紅外探測(cè)器采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在芯片內(nèi)部RAM中，主控制器可通過(guò)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(cè)器在2.6V 時(shí)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(jì)算方法如式(1)所示

(1)

將R1,R2分別設(shè)置為100,108Ω，計(jì)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(jìn)行退耦。

圖2 紅外探測(cè)器應(yīng)用電路

1.3 數(shù)據(jù)處理與USB通信

微控制器通過(guò)I2C總線讀取紅外探測(cè)器內(nèi)部RAM和EEPROM中的數(shù)據(jù)，探測(cè)器的I2C通信速率可達(dá)1 000kbit/s，RAM中存儲(chǔ)的是經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換、ADC采樣后的與溫度相關(guān)數(shù)據(jù)，EEPROM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)用于計(jì)算目標(biāo)區(qū)域內(nèi)實(shí)際溫度值的各項(xiàng)參數(shù)。RAM中的探測(cè)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(cè)量結(jié)果越可靠，但是數(shù)據(jù)更新速度會(huì)大大降低。

EEPROM中的用于計(jì)算溫度的各項(xiàng)參數(shù)只需在系統(tǒng)初始化時(shí)讀取一次，存儲(chǔ)在微控制器的RAM中，微控制器需要不斷地從探測(cè)器RAM中讀取紅外探測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)式(2)計(jì)算實(shí)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(bǔ)償系數(shù)，α(i,j)為單個(gè)像素點(diǎn)的靈敏度系數(shù)，Ta為探測(cè)器的封裝溫度，這三個(gè)系數(shù)也可通過(guò)固化在EEPROM中的參數(shù)按照相應(yīng)的計(jì)算公式求得。微控制器采用浮點(diǎn)形式存儲(chǔ)各個(gè)像素點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，為將計(jì)算結(jié)果保留小數(shù)點(diǎn)后2位，將浮點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)乘以1 000后強(qiáng)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(jìn)行4舍5入后，再將溫度數(shù)據(jù)以十進(jìn)制形式按位取出后通過(guò)USB傳輸給上位機(jī)軟件。

USB通信采用全速傳輸模式，最高速率可達(dá)12 Mb/s，足以滿足系統(tǒng)對(duì)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(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度設(shè)置為64字節(jié)，因每個(gè)像素點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)保留2位小數(shù)，拆分成單個(gè)十進(jìn)制位進(jìn)行傳輸，所以,一個(gè)像素點(diǎn)具有5個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，一幀圖像具有320字節(jié)數(shù)據(jù)，通過(guò)USB發(fā)送5個(gè)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^(guò)程中有數(shù)據(jù)丟失或CRC校驗(yàn)出錯(cuò)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(guò)USB傳輸給上位機(jī)，開(kāi)發(fā)基于VC++的上位機(jī)圖像處理軟件，軟件可直觀顯示每個(gè)像素點(diǎn)的平均溫度值，由于系統(tǒng)中紅外探測(cè)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(jī)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(diǎn)的平均值，它根據(jù)某像素點(diǎn)周圍4個(gè)像素的灰度值在水平和垂直2個(gè)方向上對(duì)其插值。該算法計(jì)算量較小[5]，但是，圖像對(duì)比度較低，細(xì)節(jié)模糊。

三次多項(xiàng)式插值算法(cubic polynomial interpolation)采用源圖像中待采樣像素點(diǎn)周圍 16個(gè)相鄰像素點(diǎn)來(lái)做插值運(yùn)算，利用三次多項(xiàng)式來(lái)近似地逼近理想的插值函數(shù),該插值算法的運(yùn)算復(fù)雜度較高[5]，但插值圖像效果較清晰，對(duì)比度較高。

結(jié)合2種算法的不同特點(diǎn)，本文先對(duì)原始熱像圖采用三次多項(xiàng)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(qiáng)圖像對(duì)比度，使得熱像圖的高低溫差更明顯，為了減少計(jì)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(cè)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(xiàng)式插值算法、雙線性插值+多項(xiàng)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(shí)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(xiàng)式插值

圖7 雙線性+多項(xiàng)式插值

圖8 多項(xiàng)式+雙線性插值

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了客觀評(píng)價(jià)本文算法(多項(xiàng)式+線性插值)的處理效果，采用熵(entropy)和平均梯度(gavg)來(lái)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)插值圖像效果。平均梯度反映了圖像中微小細(xì)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(duì)4幅熱像圖片進(jìn)行熵和平均梯度的計(jì)算，實(shí)驗(yàn)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(duì)于提高插值圖像清晰度和改善插值圖像的質(zhì)量?jī)?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(xiàng)式1.84560.8101雙線性+多項(xiàng)式2.15380.7047多項(xiàng)式+雙線性2.17020.8808

4 結(jié) 論

在一些對(duì)熱像分辨率要求不高的場(chǎng)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(cè)器采集紅外輻射強(qiáng)度，利用紅外測(cè)溫原理和計(jì)算方法得到各像素點(diǎn)的實(shí)際溫度值，通過(guò)USB通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)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(guò)對(duì)人體軀干部熱成像測(cè)試表明:本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的實(shí)時(shí)紅外熱像顯示，多項(xiàng)式插值與雙線性插值相結(jié)合的算法滿足本系統(tǒng)對(duì)于圖像清晰度和速度的使用需求，可實(shí)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(cè)方法的研究[J].傳感器與微系統(tǒng), 2009,28(9):16-18.

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[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.

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[6] 龔昌來(lái),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(dòng)計(jì)劃(新苗人才計(jì)劃)資助項(xiàng)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(jì)與應(yīng)用方向的研究。