作者：Hasan Gadjali，Meridian Innovation聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席運(yùn)營(yíng)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(jī)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(lái)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(chǎng)疫情摧毀了就業(yè)機(jī)會(huì)，使數(shù)百萬(wàn)人的生計(jì)受到影響。面對(duì)這場(chǎng)危機(jī)，一個(gè)重大需求是遠(yuǎn)距離快速探測(cè)個(gè)人或群體體溫而不影響正?；顒?dòng)。因?yàn)榘l(fā)燒是病毒感染的常見癥狀之一，有效識(shí)別發(fā)燒人士有助于限制病毒的傳播。熱成像傳感器是實(shí)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(jī)如何從遠(yuǎn)處測(cè)量核心體溫？熱成像傳感器是一種微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）芯片，是一個(gè)對(duì)8至14微米波長(zhǎng)范圍內(nèi)的長(zhǎng)波紅外電磁輻射（LWIR）敏感的探測(cè)器陣列。開爾文0度以上的所有物體和所有生物都在這個(gè)光譜范圍內(nèi)發(fā)出輻射，這種輻射的強(qiáng)度代表了它們的表面溫度。與波長(zhǎng)在400到700納米之間的可見光不同，長(zhǎng)波紅外輻射對(duì)人眼是不可見的。然而，形成熱成像陣列的探測(cè)器能夠通過(guò)可測(cè)量的方式改變其特性（例如，通過(guò)改變其電阻或由于塞貝克效應(yīng)產(chǎn)生電壓輸出）來(lái)對(duì)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(gè)熱探測(cè)器依照時(shí)序在其可測(cè)角度范圍內(nèi)測(cè)量物體的表面溫度。然后，二維探測(cè)器陣列有序生成一個(gè)二維像素陣列——類似于灰度視覺(jué)圖像。但在這種情況下，每個(gè)像素表示場(chǎng)景的該部分的溫度，而不是亮度。這個(gè)簡(jiǎn)單的類比告訴我們，一定程度上，熱圖像也可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)視覺(jué)圖像處理技術(shù)進(jìn)行處理和分析。它還可以顯示為熱信息圖，每個(gè)溫度值都有一個(gè)特定的相關(guān)顏色。圖一是同一場(chǎng)景的視覺(jué)圖像、彩色熱圖像和灰度熱圖像的對(duì)比實(shí)例。

圖1：視覺(jué)攝像機(jī)圖像與熱攝像機(jī)圖像（包括彩色和灰度熱圖像） (來(lái)源: Meridian Innovation)

以上熱圖像是由一個(gè)特殊的熱攝像相機(jī)拍攝的。這個(gè)相機(jī)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(lái)源: Meridian Innovation)

人體體溫的測(cè)量

我們之前說(shuō)過(guò)，熱成像儀測(cè)量視野中物體或物體的表面溫度?，F(xiàn)在的問(wèn)題是——在熱像圖中，我們?nèi)绾螠y(cè)量人體的體溫。在回答這個(gè)問(wèn)題之前，讓我們回顧一下傳統(tǒng)的體溫測(cè)量方法。人體體溫是通過(guò)水銀溫度計(jì)或數(shù)字溫度計(jì)測(cè)量的 （如圖3所示），該溫度計(jì)必須與身體的隱蔽區(qū)域進(jìn)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(jì)，最準(zhǔn)確）、舌頭下（口腔溫度計(jì)，約低0.3攝氏度）或腋窩（腋窩溫度計(jì)，約比直腸溫度讀數(shù)低0.6攝氏度）。接觸式溫度計(jì)的實(shí)際局限性已被不同類型的非接觸式紅外傳感溫度計(jì)所克服。該溫度計(jì)可通過(guò)其形狀系數(shù)和進(jìn)行測(cè)量時(shí)的定位的方式進(jìn)行區(qū)分——例如，位于遠(yuǎn)耳道的鼓室溫度計(jì)，顳動(dòng)脈溫度計(jì)（滑過(guò)前額側(cè)面的顳淺動(dòng)脈），或前額溫度計(jì)（置于前額正前方）（如圖4所示）。這些溫度計(jì)有三個(gè)共同因素：1）它們有一個(gè)感測(cè)皮膚溫度的長(zhǎng)波紅外探測(cè)器，由硅基熱電堆技術(shù)制造；2）根據(jù)測(cè)量的皮膚溫度、環(huán)境溫度和熱傳導(dǎo)方程，在設(shè)備中計(jì)算人體體溫；3）溫度計(jì)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(jì) 圖4：額溫槍

用于檢測(cè)高溫的熱成像攝像機(jī)

如前所述，熱成像相機(jī)是圍繞多像素?zé)岢上駛鞲衅鳂?gòu)建的。探測(cè)器制造過(guò)程中使用的設(shè)計(jì)和制造工藝可以將探測(cè)器微型化——這有利于每個(gè)模組封裝更多的探測(cè)器，例如5000個(gè)像素點(diǎn)或更多。而且還可以產(chǎn)生更靈敏的探測(cè)器:響應(yīng)時(shí)間短，不僅可以捕捉靜態(tài)場(chǎng)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(guò)40度的可見光鏡頭，它允許人們?cè)?0厘米到幾米的距離內(nèi)同時(shí)拍攝復(fù)雜、動(dòng)態(tài)多人熱場(chǎng)景。

以上這些設(shè)定似乎使人們能夠在動(dòng)態(tài)下從遠(yuǎn)處快速測(cè)量一組人的體溫。但這真的足夠嗎？顯然不是。首先，探測(cè)器只能感應(yīng)皮膚表面的溫度。與前額溫度計(jì)類似，人體體溫必須根據(jù)人體的某些生物物理模型進(jìn)行計(jì)算。但這里出現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題——哪個(gè)像素代表真正的體溫？這是一個(gè)非常重要的問(wèn)題，因?yàn)闊岢上駜x只能在多個(gè)像素中解析人臉，溫度讀數(shù)可以變化超過(guò)一度。此外，鏡頭的缺陷、相機(jī)和被攝對(duì)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(huì)影響溫度讀數(shù)的準(zhǔn)確性，在這些情況下，如何解讀體溫比簡(jiǎn)單的前額或耳內(nèi)紅外溫度計(jì)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(guò)多”信息，各種不準(zhǔn)確度大多具有系統(tǒng)性特征，可以進(jìn)行補(bǔ)償。

然而，這使得用于發(fā)燒檢測(cè)的熱成像相機(jī)的設(shè)計(jì)成為一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的工作，需要詳細(xì)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(shí)，當(dāng)然還需要精通圖像和數(shù)據(jù) 分析——當(dāng)由于隱私問(wèn)題而無(wú)法使用視覺(jué)成像流時(shí)，對(duì)視野中對(duì)象的可靠檢測(cè)也是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

圖 5： Meridian Innovation 多人發(fā)燒檢測(cè)攝像頭解決方案（來(lái)源：Meridian Innovation）

有關(guān)其工作原理的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見《發(fā)熱檢測(cè)研究報(bào)告》Stanislav Markov of Meridian Innovation Ltd

參考設(shè)計(jì)

如上所述，及時(shí)交付用于檢測(cè)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(jì)。 Arrow Electronics 提供了此類參考設(shè)計(jì)的一個(gè)示例，并進(jìn)行了更詳細(xì)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(jì)上使用了傳統(tǒng)微測(cè)輻射熱計(jì)和熱電堆的結(jié)合技術(shù)。除熱像儀外，參考設(shè)計(jì)還包括了環(huán)境傳感器、用于估計(jì)與對(duì)象距離的飛行時(shí)間傳感器，并受益于人工智能增強(qiáng)的應(yīng)用軟件，提高了熱讀數(shù)和核心體溫計(jì)算的準(zhǔn)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(jì)算，這降低了設(shè)計(jì)和研發(fā)成本，并有助于滿足熱像儀用于檢測(cè)人體體溫的應(yīng)用。

結(jié)論

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