红外视觉1：近红外与中远红外图像
红外视觉1：近红外与中远红外图像
红外成像技术是一种重要的成像技术，广泛应用于安全监控、生物识别、野生动物研究、火灾探测等领域。本文将介绍红外成像的基础知识，包括近红外与中远红外图像的区别、红外热像仪的类型及其用途。
1. 效果图
左图为人眼可见的彩色图像（可见光图），右图则同时包含了可见光和近红外光的信息。通过在数码相机中增加一个近红外阻挡滤光片，可以过滤掉近红外光，使成像效果更接近人眼所见。
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捕获可见光，还能捕获来自太阳和人造光源的近红外光。然而，人眼无法感知红外辐射，因此我们看到的世界是彩色的。为了模拟人眼的视觉效果，数码相机通常会在传感器和镜头之间添加一个近红外阻挡滤光片。如果没有这个滤光片，相机就能拍摄出同时包含可见光和近红外光的图像。
2.2 电磁光谱图及成像分类
从电磁波谱图可以看出，可见光的波长范围是从紫色（380 nm）到红色（750 nm），而近红外辐射的波长范围是从760 nm到1500 nm。如果没有近红外阻挡滤光片，普通数码相机就能变成同时捕捉可见光和近红外光的相机。这种相机的光谱响应在400到750 nm之间达到最高吸收率。
对于中红外和远红外（1500 nm到100万nm）的成像，需要使用一种不同的技术，即热红外成像技术。使用小型热像仪拍摄的中红外/远红外图像如下所示：
根据目前的技术，红外图像主要分为两类：
- 近红外（Near-infrared, NIR）
- 中远红外（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，例如面部和虹膜生物识别、动物生存研究和狩猎等。
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”。
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。