黃天天+劉波+沈岳

摘 要：在湖南國家農(nóng)村農(nóng)業(yè)信息化示范省農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺信息服務(wù)過程中，為了全天候捕捉農(nóng)業(yè)蟲害信息，實時監(jiān)測目標(biāo)點的溫度場變化，采用雙光譜熱成像技術(shù)。針對圖像融合策略專門設(shè)計了一個單窗口雙通道的雙光譜圖像融合模型。該模型經(jīng)過分光片的目標(biāo)光源分別成像，然后通過圖像配準(zhǔn)融合模塊將所成圖像匹配重合，并按一定的視場角比例顯示于同一窗口中從而在圖像融合過程消除了光軸、探測器像素陣列、探測器位置等偏差帶來的不利影響，使雙光譜圖像的重合部分非常一致。這種設(shè)備不僅提高了融合成像的質(zhì)量，而且節(jié)約了制造成本。

關(guān)鍵詞：雙光譜熱成像技術(shù)；農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；圖像融合；可見光圖像；紅外線圖像

中圖分類號：TH744.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）07-00-03

0 引 言

隨著國家對糧食安全的重視，持續(xù)對農(nóng)業(yè)加大投入力度。近三年來，各地政府深入推進(jìn)本地農(nóng)業(yè)的農(nóng)村信息化建設(shè)。2011年，國家科技部針對我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與國外的差距，推出了“農(nóng)村物聯(lián)網(wǎng)綜合信息服務(wù)科技工程（2012BAD35B00）”課題[1]，課題組專門針對農(nóng)作物病蟲害搭建預(yù)測防控系統(tǒng)，在測試過程中，主要采用雙光譜熱成像監(jiān)控技術(shù)，基于成本核算限制與當(dāng)前設(shè)備的局限性，專門研究了一個單窗口雙通道模型，來對監(jiān)控目標(biāo)的實時溫度場分布進(jìn)行采集，實現(xiàn)對報警點準(zhǔn)確定位功能。

1 研究進(jìn)展

熱成像技術(shù)主要指利用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡接受被測目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱圖像與物體表面的熱分布場相對應(yīng)，實現(xiàn)將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像，通過不同顏色代表被測物體的不同溫度[2]。由于紅外熱圖像的清晰度和分辨率較低，不利于目標(biāo)的識別、定位、跟蹤及人眼的判別，而可見光圖像能提供高清晰度和分辨率的目標(biāo)圖像，有著紅外圖像不可比擬的優(yōu)勢，因此模型設(shè)計采用紅外熱成像和可見光成像，既能得到目標(biāo)的溫度場分布又能得到高分辨率的目標(biāo)背景圖像。采取雙通道成像方式能夠克服單一波段信息獲取的局限性，實現(xiàn)雙波段同步成像[3-5]。然而當(dāng)前多光譜熱成像圖像融合需要考慮多方面的因素，實際操作較復(fù)雜。大多數(shù)紅外線與可見光雙通道成像采用并排放置的方式，兩個通道的光軸有一定的距離，采集到的圖像有一定距離差，導(dǎo)致圖像配準(zhǔn)和融合過程不能得到理想的效果，存在失配的問題，針對這種情況有許多研究文獻(xiàn)都涉及這個問題[4-7]。

現(xiàn)有技術(shù)中有同軸可見光與紅外線雙通道成像的手持式紅外熱像儀[8]，該設(shè)備在系統(tǒng)使用過程中難以保證光軸的高精度重合，需要采用圖像校正特征提取等復(fù)雜的圖像處理過程，同時利用鍍膜技術(shù)進(jìn)行分光，雖能獲得同軸雙光譜雙通道成像圖像，但由于鍍膜材料本身的缺陷，其分光技術(shù)在較復(fù)雜的戶外環(huán)境中不能發(fā)揮其性能，而且由于鍍膜工藝的限制，難以實現(xiàn)大視角信息采集。

當(dāng)前熱成像技術(shù)主要應(yīng)用于軍事與工業(yè)方面，在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用案例較少，即使有，也集中在實驗室，離工程應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化還需走很長的路，不過隨著農(nóng)業(yè)信息化的步伐加快及農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的普及，這些成果也很快會進(jìn)入農(nóng)村市場。

2 基本原理

2.1 紅外線測溫原理

在自然界中，一切溫度高于絕對零度（-273.15℃）的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外線能量。紅外輻射能量的大小及其波長的分布與物體表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，就能準(zhǔn)確地測定物體表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的原理[9]。

2.2 熱紅外成像技術(shù)

熱紅外成像技術(shù)是利用物體自身的熱輻射特性，把物體不可見的熱輻射情況轉(zhuǎn)換為可視熱圖的技術(shù)。熱紅外成像的核心設(shè)備是探測器， 整個熱像儀的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 紅外熱像儀組成結(jié)構(gòu)示意圖

物體的紅外輻射經(jīng)過由鏡頭組成的光學(xué)系統(tǒng)聚集到探測器上，探測器把入射的熱輻射轉(zhuǎn)換成電平信號，電平信號經(jīng)視頻處理單元進(jìn)行數(shù)字圖像處理后，轉(zhuǎn)換成在顯示設(shè)備上可見的紅外熱圖，有了熱圖便能計算出目標(biāo)物體的溫度[10]。

2.3 圖像融合

圖像融合是指將多源信道所采集到的關(guān)于同一目標(biāo)的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過圖像處理和計算機(jī)技術(shù)等，最大限度的提取各自信道中的有利信息，最后綜合成高質(zhì)量的圖像，以提高圖像信息的利用率、改善計算機(jī)解譯精度和可靠性、提升原始圖像的空間分辨率和光譜分辨率，利于視頻監(jiān)測[11]。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙光譜圖像融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 方案設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)有的可見光與紅外線雙通道成像技術(shù)的局限性及農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的需求，提出一套單窗口雙通道視頻監(jiān)控模型方案。模型設(shè)計如下：讓目標(biāo)光源經(jīng)過雙色分光片后，使紅外線透射進(jìn)入紅外成像通道，可見光反射進(jìn)入可見光成像通道；然后圖像配準(zhǔn)融合模塊將上述兩個成像通道所采集圖像匹配重合，并按一定的視場角比例顯示于同一窗口中。模型將可見光鏡頭組和可見光面陣探測器置于具有三維可調(diào)整的設(shè)備機(jī)構(gòu)上，通過電機(jī)驅(qū)動使得圖像配準(zhǔn)過程無需復(fù)雜的計算，配準(zhǔn)結(jié)果不受圖像參數(shù)的干擾，只需電腦上微調(diào)參數(shù)就可以了，同時圖像顯示預(yù)警模塊顯示兩種光線匹配后的圖像，并可在該圖像上顯示目標(biāo)點的溫度參數(shù)，并根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行預(yù)警。

模型設(shè)計如圖3所示。該結(jié)構(gòu)主要包括消光防護(hù)罩、多維調(diào)整機(jī)構(gòu)、雙色分光片、紅外鏡頭組、紅外面陣探測器、紅外鏡頭驅(qū)動裝置、紅外圖像采集處理模塊、可見光防護(hù)罩、可見光鏡頭組、可見光面陣探測器、可見光鏡頭驅(qū)動裝置、可見光圖像采集處理模塊、圖像配準(zhǔn)融合模塊、圖像顯示預(yù)警模塊等部分。

其中多維調(diào)整模型能夠在三維空間平移，并允許通過電機(jī)在立體空間坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動，用以調(diào)整可見光光軸和探測器像素陣列的排列方向與紅外面陣探測器完全配準(zhǔn)，同時借助調(diào)整機(jī)體支架，實現(xiàn)水平移動和上下轉(zhuǎn)動。

（a） 單窗口雙通道視頻監(jiān)控模型示意圖

（b） 多維調(diào)整模型示意圖

圖3 模型設(shè)計示意圖

根據(jù)上述示意圖，兩個成像通道采集到的圖像數(shù)據(jù)傳送給圖像配準(zhǔn)融合模塊，能滿足光軸同軸、像素陣列同向、探測器同面，同時圖像配準(zhǔn)融合模塊能根據(jù)兩個成像通道的視場角關(guān)系和圖像的中心線直接配準(zhǔn)圖像。首先對準(zhǔn)圖像的中心點，再調(diào)整紅外圖像區(qū)域在可見光圖像區(qū)域中占據(jù)的比例，使得兩個圖像的比值等于可見光成像通道與紅外成像通道的視場角的比值，當(dāng)圖像融合配準(zhǔn)完成后，選擇視場角大的圖像作為背景，將視場角小的圖像融合于其中，即可實現(xiàn)雙光譜圖像融合功能。圖4給出了在實驗室對模型設(shè)備進(jìn)行調(diào)整對焦，并抓取野外鳥類實景圖，顯示圖像由模糊到清晰的過程。

4 預(yù)警機(jī)制與模型調(diào)節(jié)過程

首先根據(jù)圖像配準(zhǔn)的結(jié)果，在兩幅圖像上均能指示目標(biāo)各點的溫度參數(shù)，用于預(yù)警機(jī)制的工作。其預(yù)警機(jī)制可分為高溫預(yù)警、低溫預(yù)警、溫差預(yù)警、溫升預(yù)警等，就是分別設(shè)置整個窗口或者某個點的高溫、低溫、溫差和溫升閾值，當(dāng)溫度超過這個閾值時發(fā)出預(yù)警信息，并指示出異常溫度點標(biāo)注位置。

圖4 設(shè)備調(diào)整對焦實景圖

本模型結(jié)合系統(tǒng)成像原理，克服了其他多窗口設(shè)計的成像弊端，采用雙色分光片實現(xiàn)單窗口的同軸雙通道成像，采集到目標(biāo)的溫度場分布圖像數(shù)據(jù)，同時還能得到清晰度更高的可見光成像，通過設(shè)備參數(shù)調(diào)整、電機(jī)多維驅(qū)動提升操作的簡便性和結(jié)果的精確性。這樣得到符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的單窗口雙通道成像，用于實時捕獲目標(biāo)的二維溫度場分布，實現(xiàn)目標(biāo)識別、溫度預(yù)警等功能。

圖5給出模型設(shè)備通道圖像測試成像圖，圖中分別顯示了可見光、紅外線與可見光重合及在重合圖像上顯示溫度檢測標(biāo)注等圖形。

（1） 可見光成像圖 （2） 雙光譜重合成像圖 （3） 預(yù)警溫度檢測標(biāo)注

圖5 模型通道測試成像圖

5 結(jié) 語

在湖南省農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)項目實施過程中，項目小組為了突破當(dāng)前可見光與紅外線雙通道成像技術(shù)的局限性，提出了一個適應(yīng)農(nóng)村物聯(lián)網(wǎng)市場的單窗口雙通道紅外熱像模型，通過測試，它改進(jìn)了以往多窗口多通道收集目標(biāo)光源、綜合處理成像的工作模式，圖像配準(zhǔn)融合過程克服了光軸、探測器像素陣列、探測器位置等偏差可能帶來的不利影響，通過開發(fā)的相應(yīng)系統(tǒng)能夠得到精確的可見光與紅外線雙通道成像圖形，在實際應(yīng)用中不僅精簡了操作過程，而且提高了工作效率，并節(jié)省了部分制造成本。

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