TWI658430B - 熱影像處理系統及方法 - Google Patents

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Abstract

一種熱影像處理系統及方法，包含擷取待測主體的視覺影像及熱影像；融合視覺影像及熱影像以產生融合影像，並決定融合影像當中待測主體的面積，據以得到待測主體的主體溫度。

Description

熱影像處理系統及方法
本發明係有關一種影像處理，特別是關於一種熱影像處理系統及方法。
相機是智慧型手機的基本備配之一，然而一般的相機只能感測可見光的波長範圍，例如400~700奈米。為了增加感測的範圍，將紅外線感測器配置於智慧型手機內，因而可以感測到紅外線的波長範圍，例如700奈米至1000微米，使得智慧型手機的應用領域更為擴展。
一般來說，物體的溫度愈高，則會發射愈多的紅外線。使用配置有紅外線相機的智慧型手機時，偵測到的溫度會隨著偵測距離增加而降低，因而與被偵測物的實際溫度之間的溫度誤差愈大。第一圖例示偵測溫度與偵測距離的關係曲線。
目前智慧型手機內設置的紅外線相機，其紅外線感測器的像素數目通常很小(例如數千個像素)，遠低於一般可見光相機的像素數目(例如百萬個或甚至千萬個像素)。由於紅外線相機的解析度極低，當偵測距離較遠時，單一像素的溫度偵測範圍除了涵蓋被偵測物，也可能同時涵蓋到背景。因此，該像素會將被偵測物溫度與背景溫度予以平均，因而更降低了偵測溫度，以及增加溫度誤差。第二A圖例示使用3x3個像素的紅外線感測器以偵測較近主體的示意圖，第二B圖例示使用相同的3x3個像素的紅外線感測器以偵測較遠主體的示意圖。如圖所示，當偵測主體較近時(第二A圖)，紅外線感測器的像素僅涵蓋被偵測主體。然而，當偵測主體較遠時(第二B圖)，許多紅外線感測器的像素也同時涵蓋了背景，因而造成偵測溫度的降低，以及溫度誤差的增加。
因此，亟需提出一種新穎的紅外線相機，用以改善傳統智慧型手機之紅外線相機的諸多缺點。
鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種熱影像處理系統及方法，不需增加紅外線感測器的像素數目而能有效改善熱影像的量測誤差，以提升熱影像的準確度。
根據本發明實施例，熱影像處理系統包含影像擷取裝置及處理器。影像擷取裝置擷取待測主體的視覺影像及熱影像。處理器融合視覺影像及熱影像以產生融合影像，並決定融合影像當中待測主體的面積，據以得到待測主體的主體溫度。
第三圖顯示本發明實施例之熱影像處理系統100的方塊圖，第四圖顯示本發明實施例之熱影像處理方法200的流程圖。第三圖所示的各個方塊可使用硬體、軟體或其組合來實施。本實施例可適用於行動裝置(例如智慧型行動電話)，可有效改善熱影像的量測誤差，以提升熱影像的準確度。
在本實施例中，熱影像處理系統100包含影像擷取裝置(image capture device)11，其可包含視覺影像感測器(visual image sensor)111及熱影像感測器(thermal image sensor)112，用以分別擷取至少一待測主體的視覺影像及熱影像(步驟21)。在一實施例中，視覺影像感測器111與熱影像感測器112可分別為單獨的裝置。在另一實施例中，視覺影像感測器111與熱影像感測器112可整合在一起，例如將熱影像感測器112的像素內嵌於視覺影像感測器111的像素當中。
在本實施例中，視覺影像的解析度遠大於熱影像的解析度。例如，視覺影像感測器111(例如彩色相機)包含五百萬(=2560 x 1920)個視覺像素，而熱影像感測器112(例如紅外線相機)包含2400(=60x40)個熱像素。第五A圖例示一張高解析度的視覺影像，而第五B圖例示一張低解析度的熱影像，兩者具有相同的待測主體(例如人)。在本說明書中，“高”解析度與“低”解析度係用以指稱視覺影像與熱影像兩者相對的解析度。
在本實施例中，熱影像處理系統100包含處理器10，其接收並處理視覺影像及熱影像。本實施例之處理器10包含影像處理器(image processor)12及運算單元(operation unit)13，其中影像處理器12可包含輪廓決定單元121，用以決定視覺影像當中待測主體的輪廓(步驟22)，因而得到視覺影像當中待測主體相應的的主體輪廓。
影像處理器12還可包含面積決定單元122，首先於步驟23，使用影像融合(image fusion)技術將熱影像融合於(含有主體輪廓的)視覺影像，因而產生融合影像。所產生的融合影像不但包含有視覺影像資訊，同時還包含有相應的溫度資訊。由於視覺影像的解析度遠大於熱影像的解析度，因此於融合影像當中，每一個熱像素會相應於複數個視覺像素。第六A圖顯示熱影像與視覺影像融合的概念示意圖。第六B圖顯示熱影像與(含有主體輪廓的)視覺影像融合的例子，其中A1與A2例示熱影像的其中二個熱像素。如第六B圖所示的例子中，熱影像的熱像素A1融合於視覺影像當中相應的54x41個視覺像素。一般來說，於進行熱影像與視覺影像的融合時，首先找出熱影像與視覺影像的共同參考點，再依熱影像與視覺影像的個別拍攝視角決定兩者的縮放比。藉此，使得熱影像與視覺影像互相融合。於本發明的相關技術領域中，“像素(pixel)”一詞可用以指稱(視覺/熱)影像感測器當中的 一個感測單位，也可用以指稱(視覺/熱)影像當中的一個影像點。在本實施例中，影像感測器的一個像素可對應至影像當中的一個像素。
接著，於步驟24，面積決定單元122根據融合影像及主體輪廓，以決定其中一熱像素當中(待測主體相應的)主體面積與(非待測主體相應的)背景面積，例如第六B圖所例示的主體面積O1與背景面積B1。在本實施例中，由主體輪廓定義出主體區域，其區域內的視覺像素之數目計為主體面積。主體區域外的區域定義為背景區域，其區域內的視覺像素之數目計為背景面積。
在本實施例中，運算單元13可包含背景溫度估測單元131，用以得到背景溫度(步驟25)。在一例子中，使用熱影像感測器112擷取一張不含待測主體的熱影像，以其中一個熱像素相應的溫度(或多個熱像素之相應溫度的平均值)作為背景溫度。在本說明書中，熱像素的相應溫度係指該熱像素所量測或偵測得到的溫度。在另一例子中，使用前述含有待側主體的熱影像，以其中一個未涵蓋有主體的熱像素(例如第六B圖當中的熱像素A2)的相應溫度作為背景溫度T B1。值得注意的是，運算單元13不一定包含有背景溫度估測單元131。背景溫度也可由熱影像處理系統100或熱影像處理方法200以外的裝置或方法來提供。
本實施例之運算單元13還可包含溫度補償單元132，其根據(面積決定單元122所產生的)主體面積O1、背景面積B1以及背景溫度T B1，以補償熱像素(例如熱像素A1)的相應溫度T，因而得到相應於主體的主體溫度T O1(步驟26)。
根據熱影像感測器112的特性，熱像素的相應溫度係與像素面積成正比。更明確來說，主體溫度­T­ O1與背景溫度T B1會根據個別所佔面積的比例而對熱像素的相應溫度T作出貢獻。亦即，以主體溫度­T­ O1與背景溫度T B1個別所佔面積的比例作為加權值，所得到的加權和(weighted sum)等於熱像素的相應溫度T，可表示如式(1)或式(2): T = (B1*T B1+ O1*T O1)/(B1+O1) (1) T O1= (T*(B1+O1) – B1*T B1)/O1 (2)
一般來說，熱像素A的主體溫度T O可表示如式(3)： T O= (T*(B+O) – B*T B)/O (3) 其中T代表熱像素的相應溫度，B代表背景面積，O代表主體面積，T B代表背景溫度。
舉例而言，如果熱像素A1(第六B圖)的相應溫度T為40度。經融合後，每個熱像素對應於2214個視覺像素，其中熱像素A1的主體面積O1含有886個視覺像素，背景面積B1含有1328個視覺像素。假設估算得到背景溫度T B1為25度，則根據上述式(2)可得到主體溫度T O1為： T O1=(40*(1328+886)–1328*25)/886=62.483
再舉另一個例子，如第六C圖所示，如果熱像素A3的相應溫度T為30度。經融合後，每個熱像素對應於2214個視覺像素，其中熱像素A3的主體面積O3含有295個視覺像素，背景面積B3含有1919個視覺像素。假設估算得到背景溫度T B3為25度，則根據上述式(2)可得到主體溫度T O3為： T O3=(30*(1919+295)–1919*25)/295=62.525
本實施例將原本所測得的熱像素A1之相應溫度T(例如40度)經補償而得到真正代表主體的主體溫度T O1(亦即62.483度)，其修正比例大於56%(=(62.483-40)/40)。因此可以得知，本實施例可有效改善熱影像的量測誤差，以提升熱影像的準確度。上述方法可應用以補償每一個熱像素的相應溫度，特別是部分涵蓋有主體的熱像素。
上述實施例可適用於當視覺影像當中含有複數個待測主體的情形。第七A圖例示一張含有二個待測主體的視覺影像，左側的主體71距離影像擷取裝置11較近，而右側的主體72距離影像擷取裝置11較遠。第七B圖例示相應於第七A圖的一張熱影像，僅顯示涵蓋有主體71/72的熱像素的相應溫度。由於左側主體71距離影像擷取裝置11較近，因此被較多個(例如十個)熱像素所涵蓋。反之，右側主體72距離影像擷取裝置11較遠，因此被較少個(例如二個)熱像素所涵蓋。此外，右側主體72的熱像素涵蓋有背景，因此造成熱像素溫度的降低。經使用上述實施例的影像處理及式(3)，可以分別補償得到主體71與主體72的主體溫度。再者，如果主體71與主體72的實際溫度相同的話，經上述實施例的影像處理後，可以得到相同的主體溫度，不會因為主體距離影像擷取裝置11的遠近而有影響。
上述實施例可適用於當視覺影像當中含有複數個待測主體且實際溫度不同的情形。第八圖例示一張含有二個待測主體的視覺影像與熱影像融合的例子。左側的主體81距離影像擷取裝置11較遠，而右側的主體82距離影像擷取裝置11較近，且二個主體的實際溫度不同。在此例子中，左側主體81的實際溫度(例如62度)大於右側主體82的實際溫度(例如50度)。經使用上述實施例的影像處理及式(3)，可以分別補償得到主體81與主體82的主體溫度。
舉例而言，於熱像素A1當中，左側主體81的主體面積O A1含有898個視覺像素，右側主體82的主體面積O B1含有442個視覺像素，背景面積G1含有874個視覺像素。若考量溫度分佈具有連續性且為降低偵測誤差，因此將二個主體面積O A1、O B1當中較小的一個(在此例子中為O­ B1)，將該主體溫度T OB1設為僅涵蓋相同主體的相鄰熱像素(例如B2)的主體溫度T B2。因此，上述式(1)可推演得到以下式(4): T = (G1*T G1+ O A1*T OA1+ O B1*T OB1)/(O A1+ O B1+ G1) (4)
將上述數值帶入式(4)，可得到以下等式，據以得到左側主體81的主體溫度T OA1(為62度)： 45 = (874*25 + 898*T­ OA1+ 442*50)/(898 + 874 + 442)
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
100‧‧‧熱影像處理系統
10‧‧‧處理器
11‧‧‧影像擷取裝置
111‧‧‧視覺影像感測器
112‧‧‧熱影像感測器
12‧‧‧影像處理器
121‧‧‧輪廓決定單元
122‧‧‧面積決定單元
13‧‧‧運算單元
131‧‧‧背景溫度估測單元
132‧‧‧溫度補償單元
200‧‧‧熱影像處理方法
21‧‧‧擷取視覺影像及熱影像
22‧‧‧決定待測主體的輪廓
23‧‧‧將熱影像融合於視覺影像
24‧‧‧決定主體面積與背景面積
25‧‧‧得到背景溫度
26‧‧‧補償以得到主體溫度
71‧‧‧主體
72‧‧‧主體
81‧‧‧主體
82‧‧‧主體
A1‧‧‧熱像素
A2‧‧‧熱像素
A3‧‧‧熱像素
B2‧‧‧熱像素
B1‧‧‧背景面積
B3‧‧‧背景面積
O1‧‧‧主體面積
O3‧‧‧主體面積
OA1‧‧‧主體面積
OB1‧‧‧主體面積
G1‧‧‧背景面積
T‧‧‧熱像素溫度
TB1‧‧‧背景溫度
TB3‧‧‧背景溫度
TO1‧‧‧主體溫度
TO3‧‧‧主體溫度
TG1‧‧‧背景溫度
TOA1‧‧‧主體溫度
TOB1‧‧‧主體溫度
第一圖例示偵測溫度與偵測距離的關係曲線。 第二A圖例示使用3x3個像素的紅外線感測器以偵測較近主體的示意圖。 第二B圖例示使用相同的3x3個像素的紅外線感測器以偵測較遠主體的示意圖。 第三圖顯示本發明實施例之熱影像處理系統的方塊圖。 第四圖顯示本發明實施例之熱影像處理方法的流程圖。 第五A圖例示一張高解析度的視覺影像。 第五B圖例示一張低解析度的熱影像。 第六A圖顯示熱影像與視覺影像融合的概念示意圖。 第六B圖顯示熱影像與視覺影像融合的例子。 第六C圖顯示熱影像與視覺影像融合的例子。 第七A圖例示一張含有二個待測主體的視覺影像。 第七B圖例示相應於第七A圖的一張熱影像。 第八圖例示一張含有二個待測主體的視覺影像與熱影像融合的例子。

Claims (17)

  1. 一種熱影像處理系統，包含：一影像擷取裝置，用以擷取至少一待測主體的視覺影像及熱影像；及一處理器，融合該視覺影像及該熱影像以產生一融合影像，並決定該融合影像當中該待測主體的面積，據以得到該待測主體的主體溫度；其中該處理器包含：一影像處理器，用以決定該融合影像之一個熱像素當中的主體面積與背景面積，其中該主體面積相應於該待測主體之區域且該背景面積相應於該待測主體以外之區域；及一運算單元，根據該主體面積、該背景面積及背景溫度，以補償該熱像素相應的熱像素溫度，因而得到該主體溫度。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之熱影像處理系統，其中該影像擷取裝置包含一視覺影像感測器及一熱影像感測器，用以分別擷取該視覺影像及該熱影像。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述之熱影像處理系統，其中該影像處理器包含：一輪廓決定單元，用以得到該視覺影像當中相應於該待測主體的主體輪廓；及一面積決定單元，其融合該熱影像與該視覺影像，並根據該主體輪廓以決定熱像素當中的該主體面積與該背景面積。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述之熱影像處理系統，其中該運算單元包含：一背景溫度估測單元，用以得到該背景溫度；及一溫度補償單元，根據該主體面積、該背景面積及該背景溫度，以得到該主體溫度。
  5. 根據申請專利範圍第4項所述之熱影像處理系統，其中該背景溫度估測單元根據不含待測主體的一張額外擷取的熱影像，以其中一個熱像素相應的溫度或多個熱像素之相應溫度的平均值作為該背景溫度。
  6. 根據申請專利範圍第4項所述之熱影像處理系統，其中該背景溫度估測單元根據所擷取之該熱影像，以其中一個未涵蓋有待測主體的熱像素的相應溫度作為該背景溫度。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述之熱影像處理系統，其中以該主體溫度與該背景溫度個別所佔面積的比例作為加權值，所得到的加權和相等於該熱像素溫度。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述之熱影像處理系統，其中該主體溫度TO表示為：TO=(T*(B+O)-B*TB)/O其中T代表該熱像素溫度，B代表該背景面積，O代表該主體面積，TB代表該背景溫度。
  9. 根據申請專利範圍第1項所述之熱影像處理系統，其中該熱影像當中之一熱像素涵蓋有第一待測主體與第二待測主體，其中該第二待測主體相應的第二主體面積OB1小於該第一待測主體相應的第一主體面積OA1，且將該第二待測主體相應的第二主體溫度TOB1設為僅涵蓋該第二待測主體的相鄰熱像素的主體溫度，具有以下關係：T=(G1*TG1+OA1*TOA1+OB1*TOB1)/(OA1+OB1+G1)其中TOA1代表該第一待測主體相應的第一主體溫度，T代表該熱像素溫度，G1代表該背景面積，TG1代表該背景溫度。
  10. 一種熱影像處理方法，包含：(a)擷取至少一待測主體的視覺影像及熱影像；及(b)融合該視覺影像及該熱影像以產生一融合影像，並決定該融合影像當中該待測主體的面積，據以得到該待測主體的主體溫度；其中該步驟(b)包含：(b1)決定該融合影像之一個熱像素當中的主體面積與背景面積，其中該主體面積相應於該待測主體之區域且該背景面積相應於該待測主體以外之區域；及(b2)根據該主體面積、該背景面積及背景溫度，以補償該熱像素相應的熱像素溫度，因而得到該主體溫度。
  11. 根據申請專利範圍第10項所述之熱影像處理方法，其中該步驟(b1)包含：得到該視覺影像當中相應於該待測主體的主體輪廓；融合該熱影像與該視覺影像；及根據該主體輪廓以決定熱像素當中的該主體面積與該背景面積。
  12. 根據申請專利範圍第10項所述之熱影像處理方法，其中於得到該主體溫度之前，更包含：估測以得到該背景溫度。
  13. 根據申請專利範圍第12項所述之熱影像處理方法，其中該估測以得到背景溫度的步驟包含：根據不含待測主體的一張額外擷取的熱影像，以其中一個熱像素相應的溫度或多個熱像素之相應溫度的平均值作為該背景溫度。
  14. 根據申請專利範圍第12項所述之熱影像處理方法，其中該估測以得到背景溫度的步驟包含：根據所擷取之該熱影像，以其中一個未涵蓋有待測主體的熱像素的相應溫度作為該背景溫度。
  15. 根據申請專利範圍第10項所述之熱影像處理方法，其中以該主體溫度與該背景溫度個別所佔面積的比例作為加權值，所得到的加權和相等於該熱像素溫度。
  16. 根據申請專利範圍第10項所述之熱影像處理方法，其中該主體溫度TO表示為：TO=(T*(B+O)-B*TB)/O其中T代表該熱像素溫度，B代表該背景面積，O代表該主體面積，TB代表該背景溫度。
  17. 根據申請專利範圍第10項所述之熱影像處理方法，其中該熱影像當中之一熱像素涵蓋有第一待測主體與第二待測主體，其中該第二待測主體相應的第二主體面積OB1小於該第一待測主體相應的第一主體面積OA1，且將該第二待測主體相應的第二主體溫度TOB1設為僅涵蓋該第二待測主體的相鄰熱像素的主體溫度，具有以下關係：T=(G1*TG1+OA1*TOA1+OB1*TOB1)/(OA1+OB1+G1)其中TOA1代表該第一待測主體相應的第一主體溫度，T代表該熱像素溫度，G1代表該背景面積，TG1代表該背景溫度。
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