基于红外热成像的病人体温实时在线监测系统研究

王攀 丁永丽

1.浙江汉振智能技术有限公司 浙江 杭州 311400；

2.杭州萧山技师学院 浙江 杭州 311200

1 红外热成像人体体温监测市场现状

新冠疫情以来，用于监测人体体温的红外热成像设备遍布于机场，火车站，医院，学校等人流量较大的出入口处。红外热成像市场和技术都得到了快速的发展，随着国产红外探测器的成熟以及量产，在红外热成像设备中成本占比最大的红外热成像探测器的价格在逐步降低。民用领域越来越多的领域开始引用红外热成像技术。

目前红外热成像机芯成熟的市场普遍在军工和工业领域，军工领域主要应用于跟踪导弹，狙击辅助。工业领域主要应用于电力设备维护，工业视觉检测等。抗疫使用的红外热成像体温监测市场，被一些医疗设备企业看重。但是由于单个成本较高，难以在医院系统批量布置。因此本文通过改进方案，缩减成本的方式使红外热成像体温监测系统在以单位床位布局一台的情况下，保证总体项目达到一个医院能接受的范围[1]。

2 病床病人体温监测系统方案

在每个病床的上方安装一台红外热成像机芯。机芯镜头照射在病床床头部分，使病人头部以及肩部能处于相机画面当中。相机采用WIFI网络无线连接至专用局域网。组网使用无线路由器组网。所有的相机将拍摄到的红外图像进行体温识别，将温度信息连同受控实时传送的图像信息上传至医院专用服务器进行数据信息管理。

3 红外热成像相机的设计方案

红外热成像探测器的输出模拟信号经过高速AD转换器转换后，进入到FPGA内部进行红外原始图像的校正、对比度拉伸、图像滤波、二值化检测有用像元。输出的图像经图像处理CPU进行目标温度值检测并发送到无线网络。

4 对红外热成像机芯现有技术的重点改造

（1）探测器选型：相比较市场上可用于图像识别的红外热成像机芯来讲，分辨率由于需求场景图像的动态特性较低，且识别区域较为固定，因此可以将常用的384×288分辨率降低为160×120。且探测器工作环境为室温波动性非常小的病房，这就致使可以不使用带有TEC制冷功能的探测器就能满足设计需求。因此选定大立科技的DM1716A探测器作为图像传感器，DM1716A是一款非制冷性红外阵列传感器，其分辨率为160×120，由非晶硅材料制成，无TEC控制，适用于室温条件下运行。

（2）探测器主控FPGA选型：由于探测器分辨率的降级，因此也可以将常用于384×288匹配的FPGA进行降级选型。本设计采用XILINX公司的spartan-6系列FPGA作为控制器。

（3）图像识别检测处理器：图像识别检测处理器的主要功能是，将图像降低帧频，并计算图像目标区域温度值，将温度值间隔定时通过WIFI模块发送到网络，上传上报服务器，在用户端有需要时，可以实时通过无线网络传送图像信息。

5 图像处理算法设计

（1）图像校正算法设计：红外芯片由于工艺问题存在严重的非均匀性，所以非均匀矫正一直是影响红外图像质量的第一因素。非均匀矫正的算法也是红外图像处理研究的重点区域，建立了一些矫正的方式方法。其中最常用最简单的就应该算是两点温度定标算法。

红外焦平面阵列像元在均匀辐射背景条件下的输出为：

式子中E为辐射强度，aij和bij分别为增益和偏移量。对于每一个阵列像元，aij和bij都是固定的，并不随时间变化。因此采用两点校正法计算出每个像元的增益常数和偏移量常数，并将此参数代入到每一帧图像中的每一个像元中，即可实现灰度图画面输出。式子变换为

式中Gij和Oij分别为两点校正的校正增益和校正偏移量常数，Yij为校正后的灰度图像输出。

实际操作时将探测器照射在温度值均匀的黑体参照物上，然后设置不同的黑体温度采集出一个高温数据和低温数据，从而计算出Gij和Oij。至此完成了红外图像的非均匀性校正。

（2）图像增强算法设计：从原始图像的直方图查看出，一般一副图像的灰度值集中分布在某一段数值范围内，拿14位的红外灰度图像来讲，图像像素灰度值集中在4000～8000的范围。对于14位二进制表达的范围0～16383来讲，只占用了其中一段的数值表达。因此增强的目的是将原本集中在某一段数值区的像素值按比例映射分布在全范围表达值区域。

（3）去除无意义像元：由于人体温度有效范围是35-40度区间，因此为了降低图像的数据量，在检测温度值之前将灰度图中无意义的温度像元去除。至此减轻了目标温度值检测CPU的负载量。

（4）提取温度值：使用窗口法在图像中自上而下的检测温度值，将窗口设计为3×3的窗口，对窗口滑动过的区域进行均值滤波，并输出每次滑块划过的平均值。最终将一幅图中最高的平均值确定为体温最高温度值。

6 结束语

本章根据病床固定区域检测，且工作室温稳定的场景下设计了一款价格成本较低的红外热成像体温监测方案。算法设计上在工业红外热像机芯的基础上进行定制，裁剪得到低分辨率，低数据流，低速率温度值输出，以及低功耗的方案实现了从红外图像校正处理，灰度图的对比度动态拉伸，滤波，人脸识别等一系列原本复杂的红外图像处理方案。使用现有成熟的以太网网络组网，与医院现有网络信息系统对接，实现护士在任意位置都可以即时感知到病人的体温状况。