红外热成像

红外热成像

自然界任何高于绝对温度的物体(-273摄氏度)都向外辐射着热量(电磁波)。电磁波有长有短,波长范围为760nm~ 1mm的波叫做红外,人的肉眼无法看见。温度越高的物体,辐射的能量越大。

红外热成像即通过特殊的材料来感应红外波,然后将红外波转换为电信号,再把电信号转换为图像信号。

因为感应红外的特殊材料本身也会受外部温度的影响,所以在制作红外热成像机芯的时候,要么对sensor(探测器)进行低温、恒温处理,要么通过算法去矫正。

对sensor(探测器即特殊材料)进行低温、恒温处理的技术 称为 制冷远红外。这方面中国在2016年貌似还没突破,不知今年如何。由于红外热成像技术会让以前的隐形飞机(躲避雷达监测)无所遁形,美国禁止对外出口。制冷红外成像效果精度很高,2015年我有幸得见一台进口的flir制冷机芯,机芯成像的分辨率为640*480,成像效果已和黑白电视的效果差不多。PS:Flir是全球最大的红外热成像厂商。

通过算法矫正sensor采集的数据的技术叫做非制冷远红外,这也是我接触的最多的红外热成像技术。这种技术需要通过大量算法去矫正探测器取回来的数据,有的还需要挡板矫正。挡板即在sensror前边放一块黑色的等温物体,对sensor进行温度补偿和坏点去除。

海康、大华IPC所具有的红外探测叫做近红外。它是通过红外灯发射红外长波,然后cmos接受物体反射回发射的红外长波进行成像,这种技术只能探测近处红外灯辐射的物体。

虽然远红外sensor制作精度要求很高,但是国内目前也有厂商能生产。

远红外sensor的主要原理:感应红外波长的材料(根据材料不同可能带有电阻材料)封闭在一个盒子里,盒子一直接通固定电流,当感应红外波长的材料接收到红外后会改变整个盒子的电阻,这样通过盒子的电压就会改变,后端得到sensor过来的电压(具体采用稳流还是稳压没去研究)大小调节为对应的Y(YUV)。

在这儿大家可以发现,红外是没有颜色的,大家所看到的红红绿绿的红外热成像图是根据Y的大小叠加上去的伪彩。

其实上诉的一个盒子就对应sensor的一个像素点,由于材料和制作工艺的限制目前红外的sensor没办法做到可见光的cmos、ccd那么小,当然这是以后发展的趋势。

2015年非制冷红外的主要分辨率的320*240,今年应该到了640*480了,不过640*480的红外sensor价格不菲,一颗640*480的红外sensor市面上的价格应该为1W左右。

红外的sensor从生产到寿终不管通不通电都是在一直工作的,因为热感应材料在不停的接受外界的红外波,所以红外的设备还是尽量妥善保存,不要对着高温物体,如果长时间对着高温度的物体(这儿是指物体本身的温度,不看远近,比如太阳)可能会永久发生形变,感应也就不再灵敏。

红外sensor的制作流程和材料特性,导致sensor抗干扰能力差,采集数据精度不够。所以每一个像素点都可能需要去矫正(椒盐噪声、高斯噪声、竖条纹、横条纹......),然后确定Y的值。因此目前红外热成像技术的实现还没办达到芯片级,全球的红外热成像技术都停留在FPGA阶段。因为一旦生产为芯片内部逻辑将不能再做调整,而数据矫正一般不会放在软件上去做。软件矫正,其一效率跟不上,其二效率跟上会导致机芯整体功耗高、价格高,不值当。

FPGA可以把它理解成一种可编程(改编芯片内部逻辑)的芯片就可以了。

FPGA 与 ASIC FPGA与asic的区别

嗯,在这儿不得不吐槽下做半导体行业和嵌入式行业的悲哀,你懂的比搞互联网的多,技术含量比互联网的高,薪水却没搞互联网的高,拉投资也没搞互联网的容易。不知道是国内的整体环境不好还是全球都是这样。我都不知道我为什么还要呆在这个行业,滚回去搞web、移动app不也挺好,哈哈。


言归正传,写了红外热成像的技术,现在谈一下红外热成像的应用。

其实目前的大环境下红外热成像主要还是用在军用,民用很少。不过现在大家尽量在往民用靠,军用就不去谈了,主要谈下民用。

目前成熟的民用主要还是安防,比如森林防火和仓库安全监控。

其次不成熟的就是车载,做辅助驾驶。

记得2015年工作的那家公司做的红外车载的行人识别识别率达到了94%。那还是一个小公司,一两个人搞出来的算法,如果交给大公司或者丢给机器学习/深度学习去做,识别率肯定会再上一个台阶,为智能驾驶添砖加瓦。

近红外还有一个用处就是静脉识别,据说这种识别比指纹和人脸识别要好得多。

效果大致如下图,下图应该是用类似近红外静脉识别的技术做的静脉位置探测:

(图片我在网络上找的,如果侵权,联系删除)


最后,红外技术的民用正在被逐渐开发出来,大家拭目以待...

编辑于 2017-08-31