農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)雙光譜熱成像圖像融合模型設(shè)計(jì)

黃天天+劉波+沈岳

摘 要：在湖南國(guó)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(tái)信息服務(wù)過(guò)程中，為了全天候捕捉農(nóng)業(yè)蟲(chóng)害信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的溫度場(chǎng)變化，采用雙光譜熱成像技術(shù)。針對(duì)圖像融合策略專門(mén)設(shè)計(jì)了一個(gè)單窗口雙通道的雙光譜圖像融合模型。該模型經(jīng)過(guò)分光片的目標(biāo)光源分別成像，然后通過(guò)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(chǎng)角比例顯示于同一窗口中從而在圖像融合過(guò)程消除了光軸、探測(cè)器像素陣列、探測(cè)器位置等偏差帶來(lái)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(jiàn)光圖像；紅外線圖像

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

0 引 言

隨著國(guó)家對(duì)糧食安全的重視，持續(xù)對(duì)農(nóng)業(yè)加大投入力度。近三年來(lái)，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(guó)家科技部針對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與國(guó)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(mén)針對(duì)農(nóng)作物病蟲(chóng)害搭建預(yù)測(cè)防控系統(tǒng)，在測(cè)試過(guò)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(mén)研究了一個(gè)單窗口雙通道模型，來(lái)對(duì)監(jiān)控目標(biāo)的實(shí)時(shí)溫度場(chǎng)分布進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)警點(diǎn)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(cè)器和光學(xué)成像物鏡接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)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(chǎng)相對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)將物體發(fā)出的不可見(jiàn)紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)的熱圖像，通過(guò)不同顏色代表被測(cè)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(shí)別、定位、跟蹤及人眼的判別，而可見(jiàn)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(shì)，因此模型設(shè)計(jì)采用紅外熱成像和可見(jiàn)光成像，既能得到目標(biāo)的溫度場(chǎng)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(shí)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(shí)際操作較復(fù)雜。大多數(shù)紅外線與可見(jiàn)光雙通道成像采用并排放置的方式，兩個(gè)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(guò)程不能得到理想的效果，存在失配的問(wèn)題，針對(duì)這種情況有許多研究文獻(xiàn)都涉及這個(gè)問(wèn)題[4-7]。

現(xiàn)有技術(shù)中有同軸可見(jiàn)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(guò)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(guò)程，同時(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)室，離工程應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化還需走很長(zhǎng)的路，不過(guò)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(huì)進(jìn)入農(nóng)村市場(chǎng)。

2 基本原理

2.1 紅外線測(cè)溫原理

在自然界中，一切溫度高于絕對(duì)零度（-273.15℃）的物體都在不停地向周?chē)臻g發(fā)出紅外線能量。紅外輻射能量的大小及其波長(zhǎng)的分布與物體表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此通過(guò)對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，就能準(zhǔn)確地測(cè)定物體表面溫度，這就是紅外輻射測(cè)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(jiàn)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(cè)器， 整個(gè)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(guò)由鏡頭組成的光學(xué)系統(tǒng)聚集到探測(cè)器上，探測(cè)器把入射的熱輻射轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)，電平信號(hào)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(jiàn)的紅外熱圖，有了熱圖便能計(jì)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(guò)圖像處理和計(jì)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(jì)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(cè)[11]。整個(gè)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(jì)

根據(jù)現(xiàn)有的可見(jiàn)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(jì)如下：讓目標(biāo)光源經(jīng)過(guò)雙色分光片后，使紅外線透射進(jìn)入紅外成像通道，可見(jiàn)光反射進(jìn)入可見(jiàn)光成像通道；然后圖像配準(zhǔn)融合模塊將上述兩個(gè)成像通道所采集圖像匹配重合，并按一定的視場(chǎng)角比例顯示于同一窗口中。模型將可見(jiàn)光鏡頭組和可見(jiàn)光面陣探測(cè)器置于具有三維可調(diào)整的設(shè)備機(jī)構(gòu)上，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)使得圖像配準(zhǔn)過(guò)程無(wú)需復(fù)雜的計(jì)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(shí)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(diǎn)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(jì)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(cè)器、紅外鏡頭驅(qū)動(dòng)裝置、紅外圖像采集處理模塊、可見(jiàn)光防護(hù)罩、可見(jiàn)光鏡頭組、可見(jiàn)光面陣探測(cè)器、可見(jiàn)光鏡頭驅(qū)動(dòng)裝置、可見(jiàn)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(guò)電機(jī)在立體空間坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，用以調(diào)整可見(jiàn)光光軸和探測(cè)器像素陣列的排列方向與紅外面陣探測(cè)器完全配準(zhǔn)，同時(shí)借助調(diào)整機(jī)體支架，實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)和上下轉(zhuǎn)動(dòng)。

（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(jì)示意圖

根據(jù)上述示意圖，兩個(gè)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(cè)器同面，同時(shí)圖像配準(zhǔn)融合模塊能根據(jù)兩個(gè)成像通道的視場(chǎng)角關(guān)系和圖像的中心線直接配準(zhǔn)圖像。首先對(duì)準(zhǔn)圖像的中心點(diǎn)，再調(diào)整紅外圖像區(qū)域在可見(jiàn)光圖像區(qū)域中占據(jù)的比例，使得兩個(gè)圖像的比值等于可見(jiàn)光成像通道與紅外成像通道的視場(chǎng)角的比值，當(dāng)圖像融合配準(zhǔn)完成后，選擇視場(chǎng)角大的圖像作為背景，將視場(chǎng)角小的圖像融合于其中，即可實(shí)現(xiàn)雙光譜圖像融合功能。圖4給出了在實(shí)驗(yàn)室對(duì)模型設(shè)備進(jìn)行調(diào)整對(duì)焦，并抓取野外鳥(niǎo)類實(shí)景圖，顯示圖像由模糊到清晰的過(guò)程。

4 預(yù)警機(jī)制與模型調(diào)節(jié)過(guò)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(diǎn)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(gè)窗口或者某個(gè)點(diǎn)的高溫、低溫、溫差和溫升閾值，當(dāng)溫度超過(guò)這個(gè)閾值時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，并指示出異常溫度點(diǎn)標(biāo)注位置。

圖4 設(shè)備調(diào)整對(duì)焦實(shí)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(jì)的成像弊端，采用雙色分光片實(shí)現(xiàn)單窗口的同軸雙通道成像，采集到目標(biāo)的溫度場(chǎng)分布圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)還能得到清晰度更高的可見(jiàn)光成像，通過(guò)設(shè)備參數(shù)調(diào)整、電機(jī)多維驅(qū)動(dòng)提升操作的簡(jiǎn)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(shí)時(shí)捕獲目標(biāo)的二維溫度場(chǎng)分布，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別、溫度預(yù)警等功能。

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

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

圖5 模型通道測(cè)試成像圖

5 結(jié) 語(yǔ)

在湖南省農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，項(xiàng)目小組為了突破當(dāng)前可見(jiàn)光與紅外線雙通道成像技術(shù)的局限性，提出了一個(gè)適應(yīng)農(nóng)村物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的單窗口雙通道紅外熱像模型，通過(guò)測(cè)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(guò)程克服了光軸、探測(cè)器像素陣列、探測(cè)器位置等偏差可能帶來(lái)的不利影響，通過(guò)開(kāi)發(fā)的相應(yīng)系統(tǒng)能夠得到精確的可見(jiàn)光與紅外線雙通道成像圖形，在實(shí)際應(yīng)用中不僅精簡(jiǎn)了操作過(guò)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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