红外视觉1：近红外与中远红外图像

Posted 2022-11-23 程序媛一枚~

红外视觉1：近红外与中远红外图像

这篇博客将介绍红外成像的基础知识，包括：

• 什么是红外图像：近红外与中远/远红外(Near vs Mid-Far Infrared/Far infrared)
• 红外热像仪的类型
• 用途

1. 红外视觉简介：近红外与中远红外图像（今天的教程）
2. 热视觉2：使用Python和OpenCV从图像中测量温度
3. 热视觉3：使用Python和OpenCV的发烧探测器（入门项目）
4. 热视觉4：使用Pytorch和YOLOv5进行夜景对象检测（实际项目）

1. 效果图

左图人眼彩色图（可见光图） VS 右图（可见光&近红外光图） ，增加一个近红外阻挡滤光片玻璃过滤近红外光就是人眼的成像。

2. 原理

2.1 什么是红外图像：近红外与远红外(Near vs. mid-far infrared)

数码相机内部的传感器不仅能够捕获可见光或辐射，还能够捕获来自太阳和人造聚光灯的近红外光。
然而，眼睛无法感知红外辐射，所以我们看到的周围世界是彩色的。如下左图；**为了复制眼睛的工作方式，数码相机通常在传感器和镜头之间包括一个近红外阻挡滤光片玻璃。出于这个原因，传感器只捕获可见光，就像眼睛一样。

在少数不包括此滤光片的情况下，有一个近红外相机，可以拍摄如下右图所示的照片，同时捕获可见光。
所以如果从相机上物理取下玻璃滤光片，将获得一个惊人的可见光和近红外捕获设备！

2.2 电磁光谱图及成像分类

从上边的电磁波谱图（Electromagnetic spectrum）可以看出：可见光的波长从紫色（380 nm）变为红色（750 nm），近红外辐射从大约760 nm变为1500 nm。

如果没有近红外阻挡滤光片，常见的可见光数码相机就变成了近红外和可见光相机，这时相机光谱响应的最高光吸收发生在可见光部分，在400和750 nm之间。

但是，如果想在红外辐射内部使用不同的波长（即中红外和远红外或长红外）会发生什么？
答案是需要一种不同的技术，称为热红外成像（thermal infrared imaging）。

大约1500 nm至100万nm之间的是中红外和长/远红外；

使用小型热像仪拍摄的中红外/远红外拍到的热成像图如下所示：

成像分类：根据目前的技术，有两种类型的红外图像：

1. 近红外 Near-infrared (NIR)
2. 中远红外（中红外、远红外）Middle-far infrared (MIR, FIR)

2.3 近红外及夜视相机

普通的彩色或单色可见光相机可以很容易地转换为近红外和可见光相机。捕获的近红外辐射使我们能够在黑暗中看到，这就是为什么通常称它们为夜视相机。 通常包括单色或黑白传感器，这项技术需要一个外部人工聚光灯来照亮拍摄的夜景。为此，夜间监控摄像机在镜头周围包括一个 LED 红外光环。

除安全监控之外，近红外相机还有很多有趣用途。

2.4 中红外/远红外相机

这种成像需要一种不同的技术，称为热像仪（thermal cameras）。为什么称之为热成像摄像机，是因为该技术使得能够通过获取温度分布图来测量任何场景的温度。

如上图所示，使用热成像仪测量烧烤温度分布。左图是可见的彩色图像。右图是热成像图像。这就是捕获中远红外辐射背后的“魔力”。

下一教程将介绍：生成的图像采用灰度格式，并使用不同的惊人调色板着色，使得能够实时测量和显示每个像素的温度。

与近红外相机一样，这项技术使得能够在黑暗中看到物体。更重要的是不需要外部人造聚光灯/手电筒来照亮夜景。 是的，中远红外是更强的“魔术”！

2.5 近红外，夜视相机，中红外/远红外相机的用途

夜视摄像机通常用作监控安全摄像机。

近红外最常见的用途是：

• 面部和虹膜生物识别（Facial and iris biometric recognition）

• 动物生存研究（Animal research surveillance）

• 狩猎（Hunting）

  生物识别是一种需求量很大的技术，可以完全融入日常生活。例如这些摄像头可以在智能手机中找到，用于虹膜或面部识别。因此可以在晚上，在质量差的照明条件下，甚至在戴着太阳镜时验证身份以进行银行交易或解锁设备。

  动物生存研究是这项技术的另一个聪明用途。如下图可以看到这些设备中的几种如何分布在特定的野生区域，为生物学家研究人员提供可靠的知识，例如关于山猫活动的知识。同样，猎人可以检测和跟踪所需鹿的移动。

中远/远红外相机用途
最后将学习热成像摄像机的常见用途，热成像摄像机是一种比近红外相机更昂贵的技术。然而尽管成本较高，但受益于不需要限制工作距离的人造聚光灯。

为了充分利用其温度测量功能，这些相机用于以下用途：

• 野火探测 （Wildfire detection）

• 电气面板和电子设备监控（Electric panels and electronic device supervision）

• 2019冠状病毒温度访客监测控制（COVID-19 temperature access control）

  不幸的是地球上每年遭受数百场野火的袭击。为了解决这个问题，嵌入无人机中的热像仪可以帮助消防。
  
  中远红外热像仪的常见用途。左上角火灾区域检测，右上角电面板热分布，左下角用于高效设计的电子PCB温度图，右下角：COVID-19 温度监测访问控制。

  在工业中，热像仪在获取分布加热图方面非常有帮助，可以在设计过程中优化电气和电子设备或故障预防。还可用于预防和检测流体泄漏和水分问题（detecting fluid leaks and moisture problems）。
  最后但并非最不重要的一点是，由于COVID-19病毒，热成像摄像机可以监测访客的温度。

总结，这篇博客介绍了什么是红外图像以及近红外（NIR）和中远红外（MIR和FIR）图像之间的区别，并认识到支持它们的不同技术，以及这些特殊相机的常见用途。
下一篇博客将介绍热成像以及如何使用这些特殊图像之一来测量温度。

参考

• https://pyimagesearch.com/2022/10/10/introduction-to-infrared-vision-near-vs-mid-far-infrared-images/