應(yīng)用紅外線熱成像技術(shù)與圖像處理技術(shù)的兒童睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)想

邢焱皓 楊二龍 丁岳 董琦 胡詩雯 徐永良

摘? 要： 兒童睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于紅外線熱成像技術(shù)、圖像后處理技術(shù)、軟件APP開發(fā)技術(shù)等，通過圖像后處理算法的開發(fā)，對(duì)兒童睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)一步提高了兒童睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的完善性。

關(guān)鍵詞： 紅外線熱成像技術(shù);圖像后處理技術(shù)

中圖分類號(hào)： P237; TP3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.022

本文著錄格式：邢焱皓，楊二龍，丁岳，等. 應(yīng)用紅外線熱成像技術(shù)與圖像處理技術(shù)的兒童睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)想[J]. 軟件，2020，41（09）：7880

【Abstract】： The design of childrens sleep monitoring system is based on infrared thermal imaging technology， image post-processing technology， software app development technology， etc. through the development of image post-processing algorithm， the development of children's sleep monitoring system is tested， which further improves the perfection of childrens sleep monitoring system.

【Key words】： Infrared thermal imaging technology; Image post-processing technology

0? 引言

紅外線是電磁輻射頻段的一個(gè)頻段，電磁波的頻率范圍為105 Hz-1025 Hz。紅外線于1800年被英國(guó)物理學(xué)家賀胥爾發(fā)現(xiàn)。科學(xué)研究表明，不僅太陽光中有紫外線，包括人體只要溫度超過絕對(duì)零度，就輻射紅外線。紅外線又稱為熱輻射線 。利用紅外線探測(cè)裝置， 將物體紅外輻射場(chǎng)測(cè)出， 并通過計(jì)算機(jī)技術(shù)轉(zhuǎn)換成圖像， 即為“熱圖”[1]?；诩t外線分布的三個(gè)規(guī)律：熱輻射的分布規(guī)律;輻射功率隨溫度的變化規(guī)律;輻射的空間分布規(guī)律，本文旨在結(jié)合圖像處理技術(shù)探討兒童睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)想與開發(fā)[2-3]。

1? 兒童睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路

兒童睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要包括兩大部分，第一部分為根據(jù)人體輻射出不同強(qiáng)度紅外線，應(yīng)用計(jì)算機(jī)原理，轉(zhuǎn)換成熱圖像，用于兒童睡眠狀態(tài)評(píng)估。第二部分為對(duì)熱圖像進(jìn)行處理，分析，發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

1.1? 紅外線熱成像儀的方式

目前，紅外線成像裝置主要有兩種選擇方式：? ? 1. 制冷式紅外線熱成像;2. 非致冷式紅外線熱成像。制冷式紅外線熱成像基于熱傳感器為核心，其特點(diǎn)為溫度分辨率較高，溫度測(cè)量精度較高，缺點(diǎn)為需要液氮或電制冷，機(jī)械掃描導(dǎo)致增加故障;非制冷紅外線熱成像采用熱敏感器為核心，特點(diǎn)為無需液氮或電制冷，使用、維護(hù)方便，無機(jī)械掃描，故障率低。其缺點(diǎn)為溫度分辨率低，溫度測(cè)量精度較低。兩者的熱成像轉(zhuǎn)化熱圖如圖1，圖2所示。

1.2? 圖像處理算法

對(duì)采集的兒童紅外線熱圖進(jìn)行處理，采用基于K-maens聚類算法的圖像區(qū)域分割。所謂圖像分割就是把圖像分成各具特性的區(qū)域并提取感興趣目標(biāo)的技術(shù)與過程，是目標(biāo)檢測(cè)和模式識(shí)別的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的圖像分割方法主要有：基于閾值的分割方法、基于區(qū)域的分割方法、基于邊緣的分割方法、基于特定理論的分割方法等。聚類分析是一種無監(jiān)督的學(xué)習(xí)方法，能夠從研究對(duì)象的特征數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)關(guān)聯(lián)規(guī)則，因而使一種強(qiáng)大的、有力的處理方法。聚類法進(jìn)行圖像分割就是將圖像空間中的像素點(diǎn)用對(duì)應(yīng)的特征向量表示，根據(jù)它們?cè)谔卣骺臻g的特征相似性，對(duì)特征空間進(jìn)行分割，然后將其映射回原圖像空間，得到分割結(jié)果，其中，K均值和模糊C均值聚類（FCM）算法使最常用的聚類算法[4-6]。

K-means算法原理為首先從數(shù)據(jù)樣本中選取K個(gè)點(diǎn)作為初始聚類中心;其次計(jì)算各個(gè)樣本到聚類的距離，把樣本歸到離它最近的那個(gè)聚類中心所在的類;然后計(jì)算新形成的每個(gè)聚類的數(shù)據(jù)對(duì)象的平均值來得到新的聚類中心;最后重復(fù)以上步驟，直到相鄰兩次的聚類中心沒有任何變化，說明樣本調(diào)整結(jié)束，聚類準(zhǔn)則函數(shù)達(dá)到最優(yōu)。其具體流程如圖3所示。

K-means圖像分割算法簡(jiǎn)捷，具有很強(qiáng)的搜索力，適合處理數(shù)據(jù)量大的情況，在數(shù)據(jù)挖掘和圖像處理中得到廣泛的應(yīng)用。采用K-means進(jìn)行圖像分割，將圖像的每個(gè)像素點(diǎn)的灰度或者RGB作為樣本（特征向量），因此整個(gè)圖像構(gòu)成了一個(gè)樣本集合，從而把圖像分割任務(wù)轉(zhuǎn)換為對(duì)數(shù)據(jù)集合的聚類任務(wù)。在此特征空間中運(yùn)用K-means聚類算法進(jìn)行圖像區(qū)域分割，最后抽取圖像區(qū)域的特征[7-8]。

1.3? 兒童睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的客戶端界面設(shè)計(jì)

兒童睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)目標(biāo)使用群體為0-5歲，家長(zhǎng)登錄客戶端可實(shí)時(shí)監(jiān)控兒童的睡眠情況，尤其是兒童在獨(dú)立睡眠時(shí)是否“蹬被”。當(dāng)兒童蹬被后，通過紅外線熱傳感器將信號(hào)傳輸?shù)较到y(tǒng)，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)圖像分析判斷出是否“蹬被”，并發(fā)出警告信號(hào)傳輸?shù)郊议L(zhǎng)的客戶端提醒。兒童睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的客戶端界面功能設(shè)計(jì)主要包括兒童睡眠“蹬被”提醒、兒童睡醒提醒，兒童活動(dòng)提醒，兒童活動(dòng)提醒等功能?？蛻舳酥С质謾C(jī)Andriod和iOS操作系統(tǒng)，以APP形式應(yīng)用。該系統(tǒng)采用云端計(jì)算技術(shù)，即數(shù)據(jù)分析、發(fā)布等都在云計(jì)算中完成。

2? 兒童睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的圖像處理程序?qū)崿F(xiàn)（節(jié)選）

2.1? 樣本距離（matlab實(shí)現(xiàn)）

function D=sampledist（X，C，method，varargin）

%計(jì)算樣本空間和聚類中心C的距離

%X：樣本空間

%C：聚類中心

%method：距離公式

%varargin：其他參數(shù)

% D：每個(gè)點(diǎn)到聚類中心的歐式距離

[n，p]=size（X）;

K=size（C，1）;

%初始化距離矩陣

D=zeros（n，K）;

switch lower（method（1））

case ‘e

for i=1：K

D（：，i）=（X（：，1）-C（i，1））.^2;

for j=2：p

D（：，i）=D（：，i）+（X（：，j）-C（i，j））.^2;

end

end

case ‘c

for i=1：K

D（：，i）=abs（X（：，1）-C（i，1））;

for i=1：K

D（：，i）=D（：，i）=D（：，i）+abs（X（：，j）-C（i，j））;

end

end

end

2.2? 提取特征向量

像素點(diǎn)特征向量包括顏色、距離和紋理信息。

function vec=exactvector（img）

for j=1：n

for i=1：m

color=img（i，j，：）;

wx=1;wy=1;

dist=[];

texture=[];

vec（（j-1）*m+i，：）=[color（：）;dist（：）;texture（：）];

end

end

傳統(tǒng)的K-means算法在圖像分割中只與特征向量有關(guān)，從而忽略了像素間的空間位置關(guān)系。基于Markov隨機(jī)場(chǎng)圖像分割的算法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分割方法在效果與效率上的有效性。

3? 兒童睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)APP架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1? 開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)的開發(fā)語言選擇Java，Java語言應(yīng)用廣泛，普及率高，其安全機(jī)制可防止其他代碼惡意攻擊，安全性高。Java內(nèi)置的類庫，有助于編程簡(jiǎn)易，Java相比于C/C++語言的難以理解，更容易被接受[9-10]。

3.2? 開發(fā)環(huán)境的部署

JDK系Java開發(fā)工具箱，其包含了很多實(shí)用的工具、運(yùn)行環(huán)境。因此，本系統(tǒng)下載安裝JDK配置JDK變量環(huán)境，變異環(huán)境的配置有效的提供了編譯的效率。Eclipse IDE for Java EE Developer也需要安裝[11-17]。

3.3? 系統(tǒng)測(cè)試與發(fā)布

常規(guī)的系統(tǒng)測(cè)試方法有很多，本軟件系統(tǒng)采用黑盒測(cè)試，即不管內(nèi)部工作機(jī)制，只須達(dá)到結(jié)果的目標(biāo)，經(jīng)過后臺(tái)測(cè)試之后，沒有問題即可發(fā)布。測(cè)試的最后將apk文件上傳到APP服務(wù)提供商，提供下載安裝服務(wù)。

4? 結(jié)論與討論

兒童睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要包括紅外線熱成像圖的信號(hào)轉(zhuǎn)換，紅外線熱成像技術(shù)、圖像后處理技術(shù)、APP開發(fā)技術(shù)等。其核心為紅外線的熱源信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、算法及軟件的開發(fā)測(cè)試等。0-3歲兒童對(duì)氣溫比較敏感，容易受氣溫影響出現(xiàn)發(fā)燒感冒等疾病，本系統(tǒng)的開發(fā)旨在幫助家長(zhǎng)監(jiān)護(hù)兒童的睡眠質(zhì)量，降低疾病的發(fā)生，減少家長(zhǎng)的監(jiān)護(hù)勞動(dòng)量。兒童睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的圖像處理算法目前采用的是基于K-means算法，這種算法的要點(diǎn)在于K-means選定某種距離作為數(shù)據(jù)樣本間的相似性度量，以聚類中心迭代終止判斷條件，K-means算法在每次迭代中考察每個(gè)樣本的分類是否正確，若不正確，則需要調(diào)整。此外，K-means以誤差平方和準(zhǔn)則函數(shù)來評(píng)價(jià)聚類性能。K-means聚類算法是解決圖像處理的一個(gè)重要的算法。

5? 結(jié)論

限于當(dāng)前的技術(shù)水平，紅外線成像裝置目前采用非制冷式紅外熱成像技術(shù)，圖像后處理技術(shù)采用聚類算法，由于樣本量不足，下一步的研究需要考慮紅外線成像裝置的優(yōu)化和算法的開發(fā)。

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