作者：Hasan Gadjali，Meridian Innovation聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席運營官，以及科學(xué)家 Markov Stanislav Nikolaev 博士

概述

電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，有望使我們的生活更加舒適和安全。新冠肺炎爆發(fā)后，熱成像攝像機應(yīng)用日益普及。新冠病毒在全球的迅速傳播給公共衛(wèi)生、食品系統(tǒng)和工作領(lǐng)域帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，在全世界造成了巨大的生命損失。這場疫情摧毀了就業(yè)機會，使數(shù)百萬人的生計受到影響。面對這場危機，一個重大需求是遠距離快速探測個人或群體體溫而不影響正常活動。因為發(fā)燒是病毒感染的常見癥狀之一，有效識別發(fā)燒人士有助于限制病毒的傳播。熱成像傳感器是實現(xiàn)該應(yīng)用的核心技術(shù)。

熱成像傳感器

什么是熱成像傳感器？熱成像攝像機如何從遠處測量核心體溫？熱成像傳感器是一種微機電系統(tǒng)（MEMS）芯片，是一個對8至14微米波長范圍內(nèi)的長波紅外電磁輻射（LWIR）敏感的探測器陣列。開爾文0度以上的所有物體和所有生物都在這個光譜范圍內(nèi)發(fā)出輻射，這種輻射的強度代表了它們的表面溫度。與波長在400到700納米之間的可見光不同，長波紅外輻射對人眼是不可見的。然而，形成熱成像陣列的探測器能夠通過可測量的方式改變其特性（例如，通過改變其電阻或由于塞貝克效應(yīng)產(chǎn)生電壓輸出）來對入射的紅外熱發(fā)出響應(yīng)。這些變化被讀出電路放大和數(shù)字化，最終產(chǎn)生的數(shù)字代碼被轉(zhuǎn)換成溫度值。因此，每個熱探測器依照時序在其可測角度范圍內(nèi)測量物體的表面溫度。然后，二維探測器陣列有序生成一個二維像素陣列——類似于灰度視覺圖像。但在這種情況下，每個像素表示場景的該部分的溫度，而不是亮度。這個簡單的類比告訴我們，一定程度上，熱圖像也可以通過標準視覺圖像處理技術(shù)進行處理和分析。它還可以顯示為熱信息圖，每個溫度值都有一個特定的相關(guān)顏色。圖一是同一場景的視覺圖像、彩色熱圖像和灰度熱圖像的對比實例。

圖1：視覺攝像機圖像與熱攝像機圖像（包括彩色和灰度熱圖像） (來源: Meridian Innovation)

以上熱圖像是由一個特殊的熱攝像相機拍攝的。這個相機是使用以下圖2所示的熱成像芯片組成的模組。

圖2： Meridian Innovation 8062 分辨率 LWIR 熱成像芯片和模組 (來源: Meridian Innovation)

人體體溫的測量

我們之前說過，熱成像儀測量視野中物體或物體的表面溫度。現(xiàn)在的問題是——在熱像圖中，我們?nèi)绾螠y量人體的體溫。在回答這個問題之前，讓我們回顧一下傳統(tǒng)的體溫測量方法。人體體溫是通過水銀溫度計或數(shù)字溫度計測量的 （如圖3所示），該溫度計必須與身體的隱蔽區(qū)域進行物理接觸，該區(qū)域的溫度與內(nèi)部器官的溫度非常接近或相同。典型的接觸部位是直腸內(nèi)（直腸溫度計，最準確）、舌頭下（口腔溫度計，約低0.3攝氏度）或腋窩（腋窩溫度計，約比直腸溫度讀數(shù)低0.6攝氏度）。接觸式溫度計的實際局限性已被不同類型的非接觸式紅外傳感溫度計所克服。該溫度計可通過其形狀系數(shù)和進行測量時的定位的方式進行區(qū)分——例如，位于遠耳道的鼓室溫度計，顳動脈溫度計（滑過前額側(cè)面的顳淺動脈），或前額溫度計（置于前額正前方）（如圖4所示）。這些溫度計有三個共同因素：1）它們有一個感測皮膚溫度的長波紅外探測器，由硅基熱電堆技術(shù)制造；2）根據(jù)測量的皮膚溫度、環(huán)境溫度和熱傳導(dǎo)方程，在設(shè)備中計算人體體溫；3）溫度計必須接觸皮膚或者放置在離皮膚非常近的位置（例如：最多幾厘米距離）。

圖3：接觸式溫度計 圖4：額溫槍

用于檢測高溫的熱成像攝像機

如前所述，熱成像相機是圍繞多像素?zé)岢上駛鞲衅鳂?gòu)建的。探測器制造過程中使用的設(shè)計和制造工藝可以將探測器微型化——這有利于每個模組封裝更多的探測器，例如5000個像素點或更多。而且還可以產(chǎn)生更靈敏的探測器:響應(yīng)時間短，不僅可以捕捉靜態(tài)場景，也可以拍攝幀速率在每秒1到30幀之間的熱視頻流。配合使用視野超過40度的可見光鏡頭，它允許人們在50厘米到幾米的距離內(nèi)同時拍攝復(fù)雜、動態(tài)多人熱場景。

以上這些設(shè)定似乎使人們能夠在動態(tài)下從遠處快速測量一組人的體溫。但這真的足夠嗎？顯然不是。首先，探測器只能感應(yīng)皮膚表面的溫度。與前額溫度計類似，人體體溫必須根據(jù)人體的某些生物物理模型進行計算。但這里出現(xiàn)了一個問題——哪個像素代表真正的體溫？這是一個非常重要的問題，因為熱成像儀只能在多個像素中解析人臉，溫度讀數(shù)可以變化超過一度。此外，鏡頭的缺陷、相機和被攝對象之間的視角、是否佩戴口罩、發(fā)型是否遮住面部、是否佩戴眼鏡等都會影響溫度讀數(shù)的準確性，在這些情況下，如何解讀體溫比簡單的前額或耳內(nèi)紅外溫度計復(fù)雜得多。這種情況下，熱圖像處理和分析就發(fā)揮了關(guān)鍵作用。考慮到熱圖像中可用的“過多”信息，各種不準確度大多具有系統(tǒng)性特征，可以進行補償。

然而，這使得用于發(fā)燒檢測的熱成像相機的設(shè)計成為一項相當(dāng)復(fù)雜的工作，需要詳細了解熱成像傳感器的特性、良好的熱成像和一些生物物理學(xué)知識，當(dāng)然還需要精通圖像和數(shù)據(jù) 分析——當(dāng)由于隱私問題而無法使用視覺成像流時，對視野中對象的可靠檢測也是一個相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

圖 5： Meridian Innovation 多人發(fā)燒檢測攝像頭解決方案（來源：Meridian Innovation）

有關(guān)其工作原理的更多詳細信息，請參見《發(fā)熱檢測研究報告》Stanislav Markov of Meridian Innovation Ltd

參考設(shè)計

如上所述，及時交付用于檢測高溫的紅外熱像儀的必要性以及構(gòu)建良好解決方案的復(fù)雜性，促使各企業(yè)共同努力為 OEM 和 ODM 提供大量參考設(shè)計。 Arrow Electronics 提供了此類參考設(shè)計的一個示例，并進行了更詳細的介紹。

其核心是Meridian Innovation的新型熱像儀，采用CMOS/MEMS技術(shù)量產(chǎn)，在像素設(shè)計上使用了傳統(tǒng)微測輻射熱計和熱電堆的結(jié)合技術(shù)。除熱像儀外，參考設(shè)計還包括了環(huán)境傳感器、用于估計與對象距離的飛行時間傳感器，并受益于人工智能增強的應(yīng)用軟件，提高了熱讀數(shù)和核心體溫計算的準確性，以及用于可視化的熱圖像質(zhì)量。選擇具有成本效益的組件和 SDK，有助于解決最重要的障礙——人體體溫的計算，這降低了設(shè)計和研發(fā)成本，并有助于滿足熱像儀用于檢測人體體溫的應(yīng)用。

結(jié)論

熱成像傳感器現(xiàn)在以實惠的價格在大眾市場產(chǎn)品中隨處可見。無障礙參考硬件設(shè)計和軟件解決方案極大地促進了該技術(shù)的應(yīng)用，并實現(xiàn)了熱像儀的快速開發(fā)，包括用于自動檢測人體體溫的攝像機。這類產(chǎn)品有助于管控當(dāng)前的疫情，并描述了一個令人信服的理念：“創(chuàng)新技術(shù)促進更安全和更好的生活”。