PAGEIV某氣體泄漏紅外檢系統(tǒng)的設計摘要隨著紅外技術(shù)和材料學的發(fā)展，非制冷紅外焦平面探測器技術(shù)在體積、成本方面大幅改善，使得紅外熱像儀不再僅僅應用于軍事領域，而是開始真正大規(guī)模走進工業(yè)和民用領域。近年來，石化工業(yè)的發(fā)展使得化工生產(chǎn)中烯烴氣體泄漏現(xiàn)象增多。這些危險氣體一旦發(fā)生泄漏，不僅危害環(huán)境，更威脅著廣大人民的生命財產(chǎn)安全。為此，世界各國都非常重視氣體泄漏檢測的技術(shù)研究和儀器研發(fā)?，F(xiàn)有的氣體泄漏紅外檢測設備都屬于比較大型的精密型儀器，其測量過程復雜，也不可攜帶，其價格高昂，也不具有市場推廣性?，F(xiàn)從對結(jié)構(gòu)小巧的便攜式氣體檢測紅外熱像儀的實際需求出發(fā)，本文研究了一款基于Android手機熱像儀的氣體泄漏紅外檢測系統(tǒng)APP設計，該系統(tǒng)使用?？礖M-TB421-3XF人體測溫機芯，實現(xiàn)攝像頭連接至手機充電口Type-C使用，通過手機APP，實現(xiàn)移動端進行氣體泄漏檢測。這樣的系統(tǒng)可廣泛應用于家庭燃氣管道自檢，工人巡檢等等場合，其移動便攜性好，條件要求不苛刻，設備小型化，功能完善，在家庭、餐廳、石油加工廠、加油站或其他特殊場合有極大的應用前景。關(guān)鍵詞：烯烴氣體泄漏；手機紅外熱像儀；氣體泄漏檢測；手機APP目錄TOC\o"1-3"\h\z目錄 III第1章緒論 11.1研究背景及意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 31.2.1工業(yè)氣體泄漏熱成像檢測技術(shù) 31.2.2手機APP成像技術(shù)及其應用進展 71.2.3現(xiàn)有研究中存在的問題分析 91.2.4手機紅外熱像儀用作氣體泄漏檢測的優(yōu)勢 101.3研究內(nèi)容及論文的章節(jié)安排 11第2章手機烯烴氣體泄漏紅外檢測系統(tǒng)的總體設計 122.1手機烯烴氣體泄漏紅外檢測系統(tǒng)的設計要求 122.2手機烯烴氣體泄漏紅外檢測系統(tǒng)的設計思路 122.3手機烯烴氣體泄漏紅外檢測系統(tǒng)的組成 132.4本章小結(jié) 15第3章烯烴氣體泄漏紅外檢測手機APP的研制 163.1概述——烯烴氣體泄漏紅外檢測手機APP架構(gòu) 163.2USB接口與USB通信 173.2.1USB接口 173.2.2USB通信協(xié)議 193.2.3UVC協(xié)議和V4L2 203.2.4AndroidUSB通信 213.3烯烴氣體泄漏紅外檢測手機APP功能設計 233.3.1預覽功能 233.3.2抓圖功能 243.3.3配置功能 263.3.4其他 263.4烯烴氣體泄漏紅外檢測手機APP界面設計 283.4.1UI設計 283.4.2有關(guān)歡迎界面的說明 303.5本章小結(jié) 30第4章烯烴氣體目標的增強處理 314.1概述——動態(tài)目標增強算法 314.214位原始灰度圖像的圖像處理 324.2.114位原始灰度數(shù)據(jù)的獲取 324.2.214位原始灰度數(shù)據(jù)的成像 354.2.3利用3-sigma原則對14位原始灰度圖像的處理 384.3本章小結(jié) 40總結(jié)與展望 41參考文獻 43附錄 46PAGE44第1章緒論1.1研究背景及意義二十世紀以來，隨著石油開采量大增，石油化學工業(yè)已經(jīng)成為推動各國經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，而作為石油化工的核心和最重要的平臺化學品——乙烯、丙烯和丁烯等烯烴，是生產(chǎn)其它有機化工產(chǎn)品的基礎，其產(chǎn)能規(guī)模標志著一個國家的石油化工發(fā)展水平。烯烴下游用途十分廣泛，整體需求也快速增長，中國烯烴的產(chǎn)量逐年增加，現(xiàn)已躍居世界乙烯產(chǎn)能第二位。隨著石化工業(yè)的發(fā)展，化工生產(chǎn)中烯烴氣體泄漏現(xiàn)象逐漸增多。[1]圖1-1氣體泄漏爆炸現(xiàn)場（左：高雄右：南京）2010年1月7號，蘭化303廠發(fā)生了由于液化氣儲存罐而引發(fā)的爆炸起火事件，導致5人遇難，15人受傷；同年的7月28日，在南京棲霞區(qū)發(fā)生了一起由于丙烯泄漏引起的重大安全事故，造成十余人死亡，百余人受傷，周邊的3000多戶居民住房門窗不同程度破碎；2014年，臺灣高雄市前鎮(zhèn)區(qū)7月31日晚間至8月1日凌晨發(fā)生丙烯泄漏連環(huán)爆炸事故，造成26人死亡、280人受傷，2人失蹤，是18年來臺灣發(fā)生傷亡最慘重的氣爆事件（如圖1-1左所示）。除了工廠引起的氣體泄漏事件，在日常生活中還有許多潛伏在我們身邊的安全隱患：2017年7月21日上午，位于杭州市西湖區(qū)的桐廬野魚館因液化石油氣泄漏發(fā)生爆燃事故，共造成3人死亡、44人受傷，直接經(jīng)濟損失700余萬元，是一起較大生產(chǎn)安全責任事故；2018年6月8日上午，江蘇省南京市的江蘇康達母嬰月子會所食堂發(fā)生爆燃事故，事故原因系液化氣泄漏爆燃，致2死8傷（如圖1-1右所示）；2018年6月1日上午，淮安市清江浦區(qū)一飯店發(fā)生煤氣罐爆炸，爆炸中14人受傷，其中3人死亡……這樣因氣體泄漏而引發(fā)的觸目驚心的案例在世界各國屢見不鮮。這些危險氣體一旦發(fā)生泄漏，不僅會對環(huán)境造成危害，其所引發(fā)的火災、爆炸等災害，極大地威脅著廣大人民的生命財產(chǎn)安全，也會給社會籠罩一層揮之不去的陰影。為此，世界各國都非常重視氣體泄漏檢測的技術(shù)研究和儀器研發(fā)。工程中常采用的氣體泄漏檢測方法有很多，主要有利用化學傳感器的氣動檢測、聲發(fā)射技術(shù)檢測、激光檢測、紅外熱成像檢測等等。傳統(tǒng)的氣體傳感器屬于接觸式測量，受到使用方法的限制，往往檢測效率較低，且會危害檢查人員的人身安全。激光檢測要求激光的發(fā)射波長和氣體的吸收波段相匹配，檢測的靈敏度較高，但受激光光源影響，實際可檢測氣體種類有限，而且激光檢測系統(tǒng)的體積一般較大，掃描成像檢測效率也較低。[2]紅外熱成像基于自然界背景輻射和氣體自身的輻射發(fā)射特性進行檢測，不受光源限制，可檢測氣體種類多，可以實現(xiàn)在各種環(huán)境條件和工業(yè)環(huán)境下的短暫排放和微小的氣體泄漏的可視化。隨著近年來紅外成像探測器靈敏度的提升，紅外熱成像氣體泄漏成像檢測技術(shù)得到了迅速發(fā)展，應用領域日益拓展。液化天然氣、液化石油氣和液化乙烯無色無味，往往需要特殊的儀器才能探測到，如不能及時進行處理，極有可能引發(fā)發(fā)生火災、爆炸等事故。氣體泄漏流出時周圍會出現(xiàn)溫度異?，F(xiàn)象，這種溫度的變化可以被紅外熱像儀捕捉到，從而迅速判斷氣體的泄漏狀況，定位泄漏點，防止火災、爆炸等事故發(fā)生。如何能夠快速地檢測到氣體泄漏的存在，有效地評估泄漏氣體在空間中的分布狀態(tài)和擴散趨勢，準確地定位氣體泄漏源，以便相關(guān)部門和人員迅速采取有效措施，防止重大氣體泄漏事故的發(fā)生，這些亟待解決的問題對于工業(yè)化迅速發(fā)展的國家和地區(qū)來說尤為重要。[3]目前，國內(nèi)外正在發(fā)展各種工業(yè)氣體泄漏檢測技術(shù)與裝備，針對化工園區(qū)閥門巡查等應用缺乏針對性烯烴類氣體泄漏檢測裝備，急需深入剖析氣體泄漏紅外成像檢測理論和關(guān)鍵技術(shù)。本設計將基于小陣列規(guī)模的非制冷紅外焦平面探測成像系統(tǒng)，針對石化/煤化工業(yè)等領域?qū)ξｋU氣體泄漏檢測技術(shù)和儀器的迫切需求，以手機APP為載體實現(xiàn)常見烯烴氣體泄漏成像檢測，為生產(chǎn)、輸送和存儲等環(huán)節(jié)的泄漏檢測提供有效的技術(shù)和可靠的檢測手段。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1工業(yè)氣體泄漏熱成像檢測技術(shù)氣體熱成像技術(shù)是指只采集氣體目標場景某一紅外波段的輻射信息實現(xiàn)氣體泄漏檢測的熱成像技術(shù)，其檢測系統(tǒng)往往具有結(jié)構(gòu)相對簡單，光學系統(tǒng)復雜度較低，維護成本低等優(yōu)勢。目前，最有代表性的應用產(chǎn)品包括美國FLIR系統(tǒng)公司GasFindIR系列氣體成像儀和法國Bertin技術(shù)公司SecondSight系列氣體成像儀。FLIRSystems研發(fā)生產(chǎn)的GasFindIR氣體泄漏紅外熱像儀能快速探測甲烷和其他可揮發(fā)性有機復合（VOC）氣體的泄漏情況。與采用濃度傳感器等方法相比，紅外熱像技術(shù)對化工園區(qū)內(nèi)氣體泄漏進行監(jiān)測，具有遠距離、大面積、快捷、不受風力等環(huán)境條件影響等優(yōu)勢[4]。總部位于挪威的資源與回收公司Lindum為及時檢測甲烷泄漏，檢測沼氣生產(chǎn)管道，就采用了FLIRGasFindIR紅外熱像儀。Lindum公司的運營經(jīng)理Rosenvinge表示：“我們輕易就能見證GasFindIR熱像儀的效率：我們每周發(fā)現(xiàn)四五處氣體泄漏，能夠顯著抑制惡臭的蔓延?！彼€補充說估計每年可節(jié)約至少1.2萬歐元的成本。[5]GasFindIR的成像機理是基于傳統(tǒng)的熱成像系統(tǒng)，使用窄帶濾光片，針對被探測氣體紅外特征吸收峰的不同，在鏡頭與紅外焦平面探測器之間加入涵蓋吸收峰的窄帶濾光片，從而實現(xiàn)窄波段的氣體成像檢測。由于窄波段輻射能量偏小，需要提高熱成像系統(tǒng)的靈敏度，為此，F(xiàn)LIR開發(fā)了高靈敏度GasFindIR?HSX，其中采用了三種關(guān)鍵性技術(shù)：①提供多種可調(diào)的時間積分模式；②窄帶濾光片和紅外焦平面探測同時置于斯特林制冷器中制冷，有效減小濾光片自身熱輻射對成像的影響；③采用多種氣體紅外圖像處理算法。[6]例如，GasFindIR

CO?是一款輕巧的便攜式紅外熱像儀，配備先進的制冷式InSb銻化銦探測器，紅外波長范圍非常窄。創(chuàng)新的設計使其能夠檢測到非常細微的一氧化碳泄漏。無色的一氧化碳在這款熱像儀的屏幕上呈現(xiàn)煙霧狀。圖1-2是GasFindIR氣體熱像儀及其應用示例，圖1-3是GasFindIR

CO。圖1-2GasFindIR氣體熱像儀及其應用示例圖1-3GasFindIR

CO2010年法國Bertin技術(shù)公司的SecondSight系列氣體熱像儀[7][8]采用非制冷微測輻射熱計型探測器，工作波段為8～14m，分辨率為384×272，型號主要有SecondSightTC和SecondSightMS兩種，用于不同的應用環(huán)境。SecondSight的濾光片技術(shù)與傳統(tǒng)不同，其使用了參考和活動兩種寬帶長通紅外濾光片，參考濾光片所透過的紅外光譜區(qū)不受有無目標氣體的影響，活動濾光片透過的紅外輻射包含目標氣體的吸收波段，采集兩種濾光片分別切入成像光路后的紅外圖像進行差分運算提取氣體云團目標。其關(guān)鍵技術(shù)是：①寬帶濾光片可以保證探測器接收到足夠的輻射量，降低噪聲占比，使整個場景很好地成像；②輻射差分技術(shù)能夠有效提高系統(tǒng)探測靈敏度，并對氣體濃度和所屬種類進行檢測。圖1-4是SecondSight氣體熱像儀及其應用示例。[6]圖1-4SecondSight氣體熱像儀及其應用示例受各種因素限制，國內(nèi)氣體紅外成像檢測領域的起步較晚。隨著對石油天然氣等危險工業(yè)氣體泄漏事件防范意識的提高，近年來相關(guān)的理論和技術(shù)研究取得進展。2011年，北京理工大學金偉其課題組牽引煙臺艾睿公司和北方廣微公司分別研制了氧化釩寬波段紅外響應的25μm非制冷紅外焦平面陣列組件[8]，研究了有效的氣體泄漏熱圖像增強算法[10][11]，并研制了3-14μm寬波段氣體泄漏紅外成像檢測原理樣機[12][13]，通過轉(zhuǎn)輪窄波段濾光片的選擇，實現(xiàn)了對多種常見工業(yè)危險氣體（如乙烯、氨氣、六氟化硫）泄漏的成像探測。2012年，北京理工大學王嶺雪等[14]基于國產(chǎn)PtSi制冷紅外焦平面陣列組件研制了甲烷氣體泄漏成像探測系統(tǒng)（如圖1-5）；研究了單幀氣體圖像對比度增強算法和基于幀差的多幀圖像處理算法，并在數(shù)字信號處理器上實現(xiàn)算法的實時化處理。2016年進一步采用國產(chǎn)制冷中波碲鎘汞IRFPA加窄帶濾光片的成像方法，搭建了天然氣紅外成像檢漏系統(tǒng)[15]；并研究了基于背景動態(tài)范圍壓縮和基于氣體邊緣遷移的氣體圖像增強方法。2019年，羅秀麗等提出了一種阿基米德螺旋推掃濾光片結(jié)構(gòu)，并設計了一套非制冷氣體泄漏紅外成像系統(tǒng)[16]，驗證了對乙烯氣體的成像效果。圖1-5王嶺雪課題組甲烷氣體成像探測系統(tǒng)及成像效果2018年，中國北方廣微科技有限公司推出了針對多種有毒有害或易燃易爆氣體的氣體泄漏成像探測系統(tǒng)GWSP0202X1AF-W[17]。GWSP0202X1AF-W是一款高分辨率（384×288），低NETD，高可靠性，體積小、重量輕，功耗低的非制冷紅外焦平面探測器，適用于中波、長波紅外輻射成像探測。該探測器由硅讀出電路(ROIC)、氧化釩紅外傳感器陣列、金屬管殼和封裝在管殼內(nèi)的TEC組成。GWSP0202X1AF-W氣體探測器與常規(guī)非制冷長波紅外探測器相比，可適用于中波、長波雙波段寬光譜紅外輻射成像探測，探測靈敏度高。對一些生產(chǎn)廠房、車間中某些特定的易燃、易爆、有毒氣體的檢漏預防，如對甲烷(CH4)、丁烷(C4H10)、六氟化硫(SF6)、乙烯(C2H4)、氨氣(NH3)等5種氣體的檢測。[18]從其光譜響應曲線（圖1-6右）可以看出，相比標準的紅外探測器，在7-8μm波段上得到了較大優(yōu)化，但在3-6μm上的整體響應比較低，只在4μm附近有一較高的響應峰值。圖1-6北方廣微GWSP0202X1AF-W探測器及其光譜響應曲線2020年，北京理工大學金偉其課題組又研制了一款可以檢測神經(jīng)毒劑（塔崩Tabun(GA)、沙林Sarin(GB)）以及多種有毒有害工業(yè)化合物（如甲烷等烷類、氨氣、光氣、HCN、二氧化碳、乙烯等）的寬波段非制冷氣體泄漏紅外成像檢測系統(tǒng)，如圖1-7所示。該系統(tǒng)由寬波段光學系統(tǒng)、子波段光譜選擇部件、寬波段非制冷焦平面探測器組件、圖像處理模塊等組成。泄漏氣體的場景紅外輻射經(jīng)過寬波段光學系統(tǒng)聚焦，并經(jīng)過子波段濾光片（程控選擇）的濾波，成像到寬波段非制冷焦平面探測器上，產(chǎn)生的14bits數(shù)字熱圖像經(jīng)過FPGA的非均勻性校正處理和增強處理，提升泄漏氣體痕跡。將FPGA處理后的視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到ARMCORTEX-A9處理板上，實現(xiàn)顯示輸出，通過AndroidUI界面來控制濾光片切換等功能。系統(tǒng)按照一體化結(jié)構(gòu)設計集成。圖1-7手持式檢測儀圖1-8上：甲烷氣體成像效果（左100mL/min，中500mL/min，右1000mL/min）下：二氧化碳成像效果（左100mL/min，中500mL/min，右1000mL/min）1.2.2手機APP成像技術(shù)及其應用進展作為熱成像技術(shù)領導者的美國FLIR公司，在手機熱像儀方面目前已研發(fā)并上市多款氣體泄漏可視化檢測手機熱像儀。2016年初，F(xiàn)LIR和Bullitt集團聯(lián)合宣布，Caterpillar品牌CAT

S60機型智能手機集成了Lepton3紅外熱成像儀核心組件，打造了全球第一款紅外熱成像智能手機。這是全世界第一款植入了熱成像攝像頭的智能手機，采用了FLIR公司制造的嵌入式熱成像設備。該設備能夠偵測外界物體溫度的區(qū)別，從而構(gòu)建出圖像，也能夠發(fā)現(xiàn)人類肉眼無法看到的現(xiàn)象。熱成像的用途也是相當廣泛，比如觀察屋內(nèi)是否有過熱設備、幫助消防員等觀測煙霧中的生命體、觀察門窗是否有熱量泄漏等。[19]圖1-9FLIRCATS60智能手機圖1-10FLIR公司手機熱像儀（左：FLIRONEPro右：FLIRONEGen3）近年來，F(xiàn)LIR又推出了多款可通過USB接口配合智能手機使用的紅外熱像儀，如FLIRONEPro、FLIROneProLT以及FLIRONEGen3，主要用于汽車技術(shù)和機械行業(yè)，如檢查配電板、排查暖通空調(diào)問題、查找水漬，以及家庭能源及戶外探險。以上幾款均配有安卓版手機app。其中ONEpro還配有應用程序FLIRInSite，它是一款專為電氣承包商和熱像師打造的專業(yè)工作流管理工具，有助于提高熱檢測效率和簡化數(shù)據(jù)收集與報告。[20]2018年1月1日，艾睿光電旗下品牌睿睛（Xinfrared）推出國內(nèi)首款智能手機熱像儀（Xtherm系列），采用了自主研發(fā)的高性能384×288氧化釩探測器，圖像清晰流暢，測溫準確，可直連手機，操作簡單，能夠快速觀察物體熱圖細節(jié)，媲美專業(yè)級熱像儀。該產(chǎn)品可廣泛應用于戶外觀察、安保巡視、居家檢測、專業(yè)檢測等許多領域。[21]繼此力作之后，艾睿光電在國內(nèi)手機熱像儀領域邁上新臺階，陸續(xù)推出了具有獨家專利圖像算法的識別距離達150米的全新一代手機熱像儀T2Search、分辨率為256×192的紅外測溫手機熱像儀T2L，以及分辨率為384×288的T3S和T3Pro測溫手機熱像儀，分別可用作電路板檢測、家用快捷體溫篩查以及工業(yè)檢修和氣體泄漏檢測等，且均帶有SDK開發(fā)包，可供使用者針對自己的需求進行二次開發(fā)。[22]圖1-11艾睿國內(nèi)首款智能手機熱像儀（Xtherm系列）圖1-12艾睿手機熱像儀T2L1.2.3現(xiàn)有研究中存在的問題分析現(xiàn)代石油化工行業(yè)已經(jīng)進入到高度自動化生產(chǎn)的階段，大多數(shù)設備處于流程化作業(yè)、長周期運行的狀態(tài)，有些甚至在高溫、高壓及易腐蝕的環(huán)境下運行，氣體易發(fā)生泄漏，存在著易燃、易爆的危險性。因此，生產(chǎn)過程中重大設備的監(jiān)測顯得十分重要。目前，普遍采用嚴格執(zhí)行定期大修制度的做法，此方法存在著一定的盲目性，效率不高，有些不必要的停機檢修會使生產(chǎn)停滯而帶來額外的經(jīng)濟損失。有時也會出現(xiàn)某些設備自身存在故障隱患，但因未趕上檢修時間而發(fā)生事故的現(xiàn)象。[23]因此，經(jīng)常性的小型現(xiàn)場檢測就顯得尤為必要。不得不提的是，在家庭生活中也存在著氣體泄漏的風險。煤氣、天然氣管線設備、線路老化等等埋伏著的安全隱患一樣不容忽視，這時就需要方便及時的現(xiàn)場檢測手段進行家庭自檢，即利用非制冷型的紅外熱像儀?？偨Y(jié)市面上幾款性能較優(yōu)的手機熱像儀和普通手持式熱像儀的價格（如表1-1），可以比較發(fā)現(xiàn)，手機熱像儀的價格更低。家庭檢測使用次數(shù)少，頻率低，且對性能的要求并不高，而傳統(tǒng)的手持式紅外熱像儀成本較高、價格較貴，因此傳統(tǒng)的紅外熱像儀對于家用而言性價比較低；另外，傳統(tǒng)的熱像儀由于體積的限制，顯示屏較小，普遍為2~5個英寸。表1-1市面上熱像儀的價格比較[24]普通手持式熱像儀手機熱像儀款式價格（元）款式價格（元）FLIRC5+6999FLIRONEpro（安卓typeC）3299FLIRE48800FLIRONEproLT（安卓）2599FLIRE830000左右艾睿T2L1999艾睿E310000左右艾睿T3S5000左右艾睿M31020000左右艾睿T3pro8000左右最后，在宏觀上來看，隨著烯烴氣體的社會整體需求的快速增長，市面上針對烯烴的檢測設備的發(fā)展卻沒有跟上。因此我們可以得出結(jié)論，現(xiàn)有研究中還存在著如下三方面問題：（1）市場上針對烯烴氣體泄漏檢測的設備的缺乏：主流的氣體檢測設備的檢測對象主要為烷烴、天然氣以及其他化學有毒有害氣體，如甲烷、氯乙烯、硫化氫等等，極少數(shù)針對烯烴氣體。（2）針對工廠、車間的現(xiàn)場檢測問題：上文提到的生產(chǎn)過程中重大設備的監(jiān)測普遍采用嚴格執(zhí)行定期大修制度的做法，這種方法存在疏漏，一旦在檢查周期的空檔發(fā)生事故后果無法挽回。（3）針對家用的成本問題：通過表1-1可以看到，非手機熱像儀的價格少則幾千，多則上萬，給家庭檢測提供的選擇空間小，對大部分的家庭來說是一筆不小的開銷，更是一種資源上的浪費。1.2.4手機紅外熱像儀用作氣體泄漏檢測的優(yōu)勢根據(jù)上節(jié)的敘述，可以得知，目前的氣體泄漏紅外檢測系統(tǒng)在一些方面還不夠完善，不足以適用于多種多樣的使用情景，因此手機紅外熱像儀的優(yōu)勢就此顯現(xiàn)。其一，手機紅外熱像儀可具有很高的普及性。根據(jù)皮尤2019年的報告顯示，我國的智能手機普及率已經(jīng)達到了68%，近年來更是愈加普遍，幾乎每個人都擁有一部智能手機。因此將微型的紅外攝像頭配合手機工作，可被大部分使用者接受；其二，手機紅外熱像儀體積小、質(zhì)量輕、低功耗，方便使用與攜帶。由于使用微型紅外攝像頭，其大小比其他手持式設備小巧很多，使用起來十分便攜；并且，手機紅外熱像儀由手機充電口供電，無需自帶電池，更不需開關(guān)設備，隨插隨用。其三，手機紅外熱像儀的成本低。如表1-1所示，普通手持式熱像儀的價格約為手機熱像儀價格的2~10倍，而手機熱像儀的價格更為親民，徘徊在較低水平，可以給家庭檢測提供更多的選擇空間，在價格上更具優(yōu)勢。其四，手機紅外熱像儀可以借助手機系統(tǒng)的強大功能。手機APP比手持式熱像儀具有更加完善的人機交互，手機軟件的開發(fā)將比在手持式熱像儀上開發(fā)界面和功能更強大、更美觀、更有效率、更易實現(xiàn)功能；搭載微型紅外攝像頭的手機熱像儀，可針對不同的用途，設計專用的手機軟件，應用于各種其他場合。1.3研究內(nèi)容及論文的章節(jié)安排本文主要研究在Android平臺下的烯烴氣體泄漏紅外檢測系統(tǒng)，研究內(nèi)容可分為兩方面：一方面為Android平臺下手機檢測系統(tǒng)的研制，另一方面為對動態(tài)氣體目標的增強處理。論文章節(jié)安排大致如下：第1章緒論分析應用背景和國內(nèi)外現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外在氣體泄漏紅外檢測方面的問題，綜合實際情況，分析手機熱像儀用作氣體泄漏檢測的優(yōu)勢，并概述研究內(nèi)容和論文的章節(jié)安排。第2章手機烯烴氣體泄漏紅外檢測系統(tǒng)的總體設計提出一種利用手機和微型紅外攝像頭結(jié)合的小型便攜的氣體泄漏紅外熱像儀的設計思路，給出手機烯烴氣體泄漏紅外檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，闡述各部分的功能和部分之間連接的基本原理。第3章烯烴氣體泄漏紅外檢測手機APP的研制具體闡述烯烴氣體泄漏紅外檢測手機APP的設計思路和設計過程。第4章烯烴氣體目標的增強處理本系統(tǒng)針對氣體檢測，因此需要大量對氣體目標測試成像，并對氣體目標進行增強以突出目標。利用圖像處理方法，如3-sigma算法對灰度圖像進行處理，以提高對泄漏判斷的準確性和精確性?？偨Y(jié)與展望對論文的研究內(nèi)容及成果進行總結(jié)，分析研究中的不足以及改進方向。

第2章手機烯烴氣體泄漏紅外檢測系統(tǒng)的總體設計2.1手機烯烴氣體泄漏紅外檢測系統(tǒng)的設計要求結(jié)合未來使用中的可能情境，對手機烯烴氣體泄漏紅外檢測系統(tǒng)提出了一些設計要求，如下：體積要求：進行探測的熱成像設備的體積要小、質(zhì)量要輕，長不能超過5cm，寬厚不能超過4cm。性能要求：進行探測的熱成像設備的功耗要小，且響應時間不能超過1分鐘；通信要求：和手機的通信要求傳輸穩(wěn)定，采用有線通信方式，利用手機充電口(MicroUSB口或TypeC口)進行通信；功能要求：提供預覽、實時熱圖顯示和采集等必要功能；成本要求：成本不可過高。2.2手機烯烴氣體泄漏紅外檢測系統(tǒng)的設計思路利用紅外手段檢測氣體泄漏，首要的就是要有紅外熱像儀。紅外熱像儀市面上種類很多，在挑選紅外熱像儀時，需要結(jié)合2.1節(jié)中給出的要求，最終選定?？礖M-TB421-3XF人體測溫機芯，如圖2-1所示。圖2-1?？礖M-TB421-3XF人體測溫機芯設備圖紅外熱像儀將場景的紅外輻射以圖像的形式輸出，接下來需要考慮手機設備對圖像的接收及顯示?，F(xiàn)在市面上手機端口主要有以下幾種：Type-C、MicroUSB以及iPhone專用的lightning接口。為了方便操作，選擇端口為Type-C的智能手機。另一方面，現(xiàn)在主流的手機操作系統(tǒng)有Google

Android和蘋果的iOS，蘋果手機由于其端口為專用的lightning接口，無法與探測器適配，因此，我們選用Android手機系統(tǒng)對紅外圖像進行接收及顯示。2.3手機烯烴氣體泄漏紅外檢測系統(tǒng)的組成由上節(jié)敘述可知，手機烯烴氣體泄漏紅外檢測系統(tǒng)主要由兩部分組成，分別是圖像采集模塊——手機紅外熱像儀，終端顯示模塊——Android手機系統(tǒng)，系統(tǒng)示意圖如圖2-2所示。圖2-2系統(tǒng)示意圖圖像采集模塊即?？礖M-TB421-3XF人體測溫機芯，該模組內(nèi)置高靈敏度紅外探測器，可對場景中人體進行全天候的實時溫度監(jiān)測，推測人體的溫度變化，真正實現(xiàn)快速、高效、精準測溫。?？礖M-TB421-3XF人體測溫機芯采用高靈敏度氧化釩非制冷探測器，尺寸小巧，功耗低，性能穩(wěn)定，符合系統(tǒng)的要求。該模組的具體技術(shù)參數(shù)見表2-1。另外，?？礖CUSBCameraSDK為開發(fā)者提供動態(tài)庫和聲明文件，即libHCUSBCamera.so、libuvc.so、libusb1.0.so、libjnidispatch.so、和HCUSBCameraSDKByJNA.java，幫助開發(fā)者通過安卓手機或平板實現(xiàn)預覽、抓拍等USB相機功能。終端顯示模塊選用基于Android10.0系統(tǒng)的華為手機作為顯示終端。除華為手機外，其他版本高于5.0的Android操作系統(tǒng)均可作為顯示終端。將探測器模塊和Android手機用數(shù)據(jù)線連接，即可進行USB通信，從而傳輸數(shù)據(jù)。將傳輸?shù)降膱D像加載到設計好的APP界面中，即可實現(xiàn)實時顯示。表2-1海康HM-TB421-3XF人體測溫機芯技術(shù)參數(shù)規(guī)格\型號HM-TB421-3XF成像性能探測器類型氧化釩(VOx)微測輻射熱計光學鏡頭焦距3mm，F(xiàn)1.1分辨率120×160視場角37.2°×50°像元間距17μm調(diào)焦方式無熱化定焦鏡頭幀頻25fps圖像處理非均勻性校正自動響應波段8~14μm背景校正支持NETD≤50mK@25℃，F(xiàn)#1.0亮度、對比度調(diào)節(jié)支持自動、手動亮度和對比度調(diào)節(jié)測溫功能測溫范圍30-45℃極性支持黑熱、白熱等15種偽彩色切換測溫精度±0.5壞點校正支持測溫距離0.3~2m可設置圖像增強支持工作溫度10-35℃圖像降噪支持3D數(shù)字降噪2.4本章小結(jié)本章主要構(gòu)建了系統(tǒng)的總體框架，提出了總體設計方案。本章首先基于實際使用情境，提出了手機烯烴氣體泄漏紅外檢測系統(tǒng)的設計要求，并敘述了系統(tǒng)的設計思路，由此確定了系統(tǒng)各部分設備的選型。接下來又由總到分地展開介紹了系統(tǒng)的組成，給出了圖像采集模塊和終端顯示模塊的具體參數(shù)和配置，為下一步的開發(fā)和設計明確了方向。

第3章烯烴氣體泄漏紅外檢測手機APP的研制3.1概述——烯烴氣體泄漏紅外檢測手機APP架構(gòu)自蘋果iOS系統(tǒng)和谷歌Android操作系統(tǒng)發(fā)布以來，一個新名詞——APP就在互聯(lián)網(wǎng)界逐漸活躍起來。APP是application的縮寫，意為運行在智能移動終端上的第三方應用程序。最初的APP有兩種形式：原生APP和WebAPP。二者的區(qū)別在于原生APP是基于本地（操作系統(tǒng)）運行的，又稱為NativeAPP；而WebAPP是基于瀏覽器運行的。原生APP開發(fā)的優(yōu)勢很多，比如向下訪問和兼容的能力比較好一些，可以支持在線或離線，消息推送或本地資源訪問，攝像、撥號等功能的調(diào)取，更重要的一點是現(xiàn)在原生APP開發(fā)市場已經(jīng)發(fā)展成熟。結(jié)合本設計的具體情況，APP無需在瀏覽器上運行，只需基于Android操作系統(tǒng)，因此選擇原生APP開發(fā)方式。以開發(fā)工具的不同來分類，原生APP的開發(fā)方式有兩種：Eclipse+ADT和AndroidStudio。Eclipse+ADT的開發(fā)方式是曾經(jīng)Android開發(fā)者最好的選擇，也是谷歌官方所支持的。但在2014年底，Google官方正式推出自家的IDE（集成開發(fā)環(huán)境）——AndroidStudio，并于2016年11月2日宣告停止對EclipseADT的支持。即便如此，Eclipse+ADT的開發(fā)方式在Android開發(fā)中的地位也仍無法撼動。原因有以下幾點：其一，現(xiàn)在市場上的書籍和視頻教程，包括很多項目和源碼，絕大多數(shù)仍是基于Eclipse+ADT的，所以了解這種開發(fā)方式便于初學者快速入門，對于開發(fā)者而言是很必要的；其二，AndroidStudio是Google官方推出的IDE，是非常強但也非常龐大的Android開發(fā)利器，學習它需要一定的時間；最后，運行AndroidStudio對電腦的配置要求比較高，官方推薦win7以上操作系統(tǒng)，8GBRAM（主存），最低屏幕分辨率1280×800，運行條件較為苛刻。[25]因此，本設計選擇Eclipse+ADT作為開發(fā)工具。另外，由于需要結(jié)合專業(yè)性質(zhì)的公司所開發(fā)的專業(yè)設備，我們需要對SDK進行調(diào)用。SDK其全稱是SoftwareDevelopmentKit，即軟件開發(fā)工具包。SDK通常是為輔助開發(fā)某類軟件而編寫的特定軟件包，比如提供安卓開發(fā)工具、或者基于硬件開發(fā)的服務等。它包含了開發(fā)某類軟件所需要的功能、接口等等。例如，本設計中的設備網(wǎng)絡SDK是基于設備私有網(wǎng)絡通信協(xié)議開發(fā)的，“為嵌入式網(wǎng)絡硬盤錄像機、NVR、視頻服務器、網(wǎng)絡攝像機、報警主機等網(wǎng)絡產(chǎn)品服務的配套模塊，用于遠程訪問和控制設備軟件的二次開發(fā)”。與APP的開發(fā)不同的是，App開發(fā)更偏向于用戶層面，從UI展示到業(yè)務邏輯處理，全程處理用戶的行為。而SDK開發(fā)更偏向于功能方面，注重功能的開發(fā)實現(xiàn)，輕UI。鑒于以上分析，本設計中采用java語言作為APP編程語言，在eclipse集成開發(fā)環(huán)境上，對HCUSBCameraSDK進行編譯、運行、調(diào)試。APP的架構(gòu)圖如圖3-1所示。圖3-1APP架構(gòu)圖3.2USB接口與USB通信3.2.1USB接口隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，移動設備已經(jīng)成為新時代中重要的信息終端設備。USB則成為21世紀移動設備和智能設備最舉足輕重的標準擴展接口和必備接口。USB，即通用串行總線(UniversalSerialBus)，是一種串口總線標準，也是一種輸入輸出接口的技術(shù)規(guī)范[26]。USB自推出以來成功替代了串口和并口，在使用上已經(jīng)超越了電腦的范疇，現(xiàn)已發(fā)展到USB4.0版本。USB用來給系統(tǒng)提供一個可靠且低成本的數(shù)字連接，廣泛應用于工業(yè)、醫(yī)療、消費電子、通信網(wǎng)絡等領域。USB具有連接靈活、使用方便、傳輸速度快、支持熱插拔、獨立供電等優(yōu)點，可以連接鼠標、鍵盤、大容量存儲設備等多種外設，被廣泛用于智能手機與計算機等智能設備。USB接口只有4根線，兩根電源線，兩根信號線，故信號是串行傳輸?shù)?。參考圖3-2。USB接口采用的是差分數(shù)據(jù)傳輸。兩根線可構(gòu)成四種狀態(tài)：雙低、雙高、低高、高低。一高一低是數(shù)據(jù)傳輸時所用的正常狀態(tài)。圖3-2USB接口定義圖USB在連接設備端的時候，考慮到接口的體積而設計了不同種類。Mini型的接口包括B-5Pin、B-4Pin、B-8PinRound、B-8Pin-2×4等，2007年在Mini型基礎上制定了MicroUSB，2014年8月又發(fā)布了可正反盲插的Type-C。其中Type-C是一種全新的USB接口形式，集充電、顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ苡谝簧?，最大特點是支持正反2個方向插入，正式解決了“USB永遠插不準”的世界性難題。TYPE-C接口如圖3-3所示。TYPE-C硬件接口的特點明顯，主要有以下幾點：（1）支持正反對稱插拔，解決實際應用中的反插無法插入的問題；

（2）接口纖薄，可支持更加輕薄的設備，可令便攜式設備的設計更薄更小；

（3）支持更大功率傳輸，最大可達100瓦，支持更多的大功率負載設備。（4）支持單口和雙口TYPE-C，應用靈活。（5）支持雙向功率傳輸，送電和受電均可。[27]圖3-3USBType-C接口圖在各種移動設備和PC中，Type-C成為發(fā)展前景最廣闊的數(shù)據(jù)接口。隨著Type-C技術(shù)的逐漸成熟，自2017年起，各類新上市電子產(chǎn)品也陸續(xù)選擇配置全Type-C接口，在設計中所使用的探測器與手機皆為Type-C接口。3.2.2USB通信協(xié)議不管是哪種USB，其連接和傳輸?shù)幕驹硐嗤际峭ㄟ^USB通信協(xié)議進行通訊，所以在設計的時候，USB口的串行傳輸可以使用各式各樣的USB轉(zhuǎn)接線進行轉(zhuǎn)接，而不會影響傳輸，比如使用到的OTG線、手機數(shù)據(jù)線，均是屬于USB轉(zhuǎn)接線，它們都要遵循USB通信協(xié)議。USB協(xié)議有USB1.1、USB2.0、USB3.0等，其中USB1.1通信協(xié)議可以被USB2.0、USB3.0兼容。USB1.1協(xié)議支持兩種通信速度分別是12Mbps和1.5Mbps（由設備定義）。一般的USB傳輸中，需要一個主機和設備（從機），主機和設備之間遵循主從通信的原理，每一次的數(shù)據(jù)傳輸都是由主機發(fā)起。USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇且粋€包，如圖3-4所示。包的基本組成包括：同步字段、PID字段、數(shù)據(jù)、CRC校驗、包結(jié)束符。同步域用來告訴對方一個包的開始，并且利用NRZI編碼規(guī)律的特點，可以同步通信雙方的時鐘。包結(jié)束是總線的特殊狀態(tài)：低低狀態(tài)。包ID用于指明該包的類型，即命令符。同步字段（SYNC）PID字段數(shù)據(jù)字段CRC字段包結(jié)尾字段（EOP）圖3-4 USB包的基本格式USB有四類傳輸過程：批量傳輸、中斷傳輸、等時傳輸、控制傳輸；其中批量傳輸、中斷傳輸、等時傳輸比較類似，每個傳輸就是一個數(shù)據(jù)輸出或數(shù)據(jù)輸入事務，主要用于USB主機與設備的數(shù)據(jù)交換。而控制傳輸一般用于USB主機與設備之間的相關(guān)配置，比如比特率的選取等。USB主機對USB設備的識別，主要是識別USB設備的描述符。USB的描述符實質(zhì)上就是一個具體設備所有屬性、配置、能力等等所有信息的綜合，可以分為設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符四個大類。描述符中比較常用的有設備的類型、所使用的協(xié)議、VID、PID、設備版本號、控制傳輸輸入端點0支持的數(shù)據(jù)長度等。3.2.3UVC協(xié)議和V4L2在UVC相機的開發(fā)中需要用到UVC協(xié)議，而V4L2就是用來管理UVC設備并提供相關(guān)接口的驅(qū)動。HCUSBCameraSDK（安卓）開發(fā)指南中也引用了這兩個術(shù)語，在此做簡要介紹。UVC全稱為USBVideoClass，即：USB視頻類，是一種為USB視頻捕獲設備定義的協(xié)議標準。是Microsoft與另外幾家設備廠商聯(lián)合推出的為USB視頻捕獲設備定義的協(xié)議標準，已成為USBorg標準之一[28]。V4L2是Videoforlinux2的簡稱，為Linux中關(guān)于視頻設備的內(nèi)核驅(qū)動。在Linux中，視頻設備是設備文件，可以對其進行讀寫。V4L2用一系列的回調(diào)函數(shù)來使程序具有發(fā)現(xiàn)設備的能力和操作設備的能力，如設置攝像頭的幀率、圖像參數(shù)和視頻壓縮格式等等[29]。V4L2主要有以下幾種接口：●

視頻采集接口：V4L2的最初設計就是應用于這種功能的。這種應用的設備可以是高頻頭或者攝像頭?！褚曨l輸出接口：可以驅(qū)動計算機的外圍視頻圖像設備，如輸出電視信號格式的設備?！裰苯觽鬏斠曨l接口：它的主要工作是不用經(jīng)過系統(tǒng)的CPU，把從視頻采集設備采集過來的信號直接輸出到輸出設備之上?！褚曨l間隔消隱信號接口：它使應用可以訪問傳輸消隱期的視頻信號?！袷找魴C接口：可用來處理從FM或AM高頻頭設備接收來的音頻流。[30]3.2.4AndroidUSB通信由于設備網(wǎng)絡SDK中已對USB通信的部分進行封裝（見圖3-5），因此在本設計中不需對USB通信部分做過多設計，故本部分僅作簡要介紹。圖3-5SDK組件（網(wǎng)絡通訊部分）（1）USB通信模式Android3.1及更高的版本支持兩種模式——USBHost和USBAccessory。USBHost中文意思是USB主模式，是相對于USBAccessory即USB副模式來說的。圖3-6和圖3-7展示了這兩種模式之間的區(qū)別。如果Android工作在USBHost模式下，則連接到Android上的USB設備把Android類似的看作是一臺主機，例如將鼠標、鍵盤插入則可以使用鍵盤、鼠標來操作Android系統(tǒng)。而USBAccessory模式表示將Android設備類似當作一個USB的鍵盤、鼠標、U盤插入到電腦主機上一樣使用。由本段分析可知，本設計中采用的是USBHost模式[31]。圖3-6USB主模式圖3-7USB副模式（2）android.hardware.usb各類Android系統(tǒng)提供與連接到Android設備的USB硬件外圍設備通信的支持，這些類被收在android.hardware.usb包中，其中與本設計相關(guān)的幾個類的介紹如下：●USBManager——訪問USB的狀態(tài)并與連接的硬件外圍設備通信；●USBDevice——此類包含描述USB設備功能的信息?！馯SBInterface——表示UsbDevice上接口的類。USB設備可以有一個或多個接口，每個接口提供不同的功能，與其他接口分開。一個接口將有一個或多個UsbEndpoints，這是主機與設備傳輸數(shù)據(jù)的通道?！馯SBEndpoint——表示UsbInterface上端點的類。端點是通過USB發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的通道?！馯SBDeviceConnection——此類用于向USB設備發(fā)送和接收數(shù)據(jù)和控制消息。此類的實例由UsbManager#openDevice創(chuàng)建。●USBRequest——表示USB請求包的類，可用于在批量和中斷端點上傳輸數(shù)據(jù)?？捎糜谙騏sbDeviceConnection或從UsbDeviceConnection讀取和寫入數(shù)據(jù)。3.3烯烴氣體泄漏紅外檢測手機APP功能設計3.3.1預覽功能預覽可獲取實時預覽數(shù)據(jù)，并顯示全屏溫度最高數(shù)據(jù)，碼流類型為MJPEG。為了和針對氣體目標的要求相吻合，預覽功能特設計了兩種模式——彩色模式和氣體模式。彩色模式的編解碼方式是熱成像實時流，顯示的是鐵紅模式的彩色，還對圖像進行了處理，將分辨率從探測器原本的120×160擴展到了240×320，幀率從25fps擴展到了30fps；而氣體模式的編解碼方式是熱成像裸數(shù)據(jù)，顯示的是目標場景的灰度圖像。氣體模式需要先調(diào)出14位原始灰度數(shù)據(jù)，再根據(jù)其數(shù)據(jù)格式對其進行處理，得到代表氣體灰度的數(shù)據(jù)數(shù)組。再將這一數(shù)組歸一化到0-255，以便進行繪圖顯示。關(guān)于預覽功能中氣體模式部分的敘述詳見第4章。預覽功能如圖3-8所示。圖3-8預覽功能展示（左：彩色模式右：氣體模式）預覽功能具體代碼詳見附錄部分。預覽相關(guān)接口的調(diào)用流程如圖3-9所示。圖3-9預覽接口調(diào)用流程3.3.2抓圖功能抓圖功能即對預覽時的顯示圖進行抓取并保存，保存下來的圖像分辨率為240×320，圖片格式為JPEG。為了更好的用戶體驗，在抓圖成功后會跳出提示框，顯示“抓圖成功”，以及圖片保存的路徑?？吹奖４嫣崾究蚣幢４娉晒?。在此需說明一點，啟用抓圖功能前，需在指定路徑下建立一個命名為“USBCamera”的文件夾，圖像即保存在此文件夾中。抓圖功能展示如圖3-10和3-11所示。圖3-10抓圖功能展示圖3-11抓圖功能存圖抓圖功能具體代碼詳見附錄部分。抓圖相關(guān)接口的調(diào)用流程如圖3-12所示。圖3-12抓圖接口調(diào)用流程3.3.3配置功能配置功能的主要作用是獲得當前預覽界面的一些參數(shù)，包括：顯示當前JEPG圖片寬度、高度、大小，全屏最高溫，全屏最高溫點x坐標；另外還會自動保存當前熱圖到指定路徑。此處的熱圖與“抓圖”功能保存的圖像不同，區(qū)別在于配置中抓取的熱圖的分辨率為原始分辨率120×160，未進行擴展。配置功能見圖3-12。配置功能可根據(jù)SDK中的接口進行自主調(diào)用和開發(fā)。3.3.4其他除上述功能外，還設計了兩個輔助功能按鍵——“系統(tǒng)”鍵及“退出”鍵。點擊“系統(tǒng)”鍵，即可看到當前模塊的一些系統(tǒng)參數(shù)，包括測溫范圍、響應波段、鏡頭焦距、以及探測器的分辨率等等，以提供技術(shù)參考。如圖3-13所示。圖3-12配置功能展示（左：感興趣區(qū)域最高溫查詢結(jié)果右：抓圖查詢結(jié)果）圖3-13系統(tǒng)功能展示3.4烯烴氣體泄漏紅外檢測手機APP界面設計在APP的設計與開發(fā)過程中需要遵循一個原則，那就是簡化操作原則，即減少用戶自身的操作復雜程度。一般來說，用戶在選擇操作方式或操作順序時必然按照自己熟悉的內(nèi)容和順序，在界面設計中為用戶設計更加簡單的路徑或方式能夠讓用戶具有長期的條件反射，有助于提升其使用體驗[32]。3.4.1UI設計安卓用戶界面（以下簡稱UI）由屏幕視圖組件、屏幕觸摸事件和鍵盤事件組成[33]。在本設計中，不涉及鍵盤事件的操作，只需考慮屏幕視圖組件和屏幕觸摸事件的設計。（1）導航不管是瀏覽信息，還是使用功能，優(yōu)秀的導航設計能讓用戶根據(jù)直覺使用應用程序，也能讓用戶非常容易的完成所有任務。一款應用的導航可以被設計為各種樣式，常見的導航模式如圖3-14所示。在本設計中，選用較為簡潔直觀的選項卡菜單式，將選項卡放在頁面的最底端。圖3-14幾種導航模式（2）控件主要控件見圖3-15，分別是：Spinner控件：3個，分別是“碼流類型”下拉框、“分辨率”下拉框、“幀率”下拉框。Button控件：6個，分別是“彩色模式”按鈕、“氣體模式”按鈕、“系統(tǒng)”按鈕、“抓圖”按鈕、“配置”按鈕、“退出”按鈕。Surfaceview類：1個。該類是一個顯示相機預覽視圖的替代容器，專門用于繪制視圖層級中最底層的視圖。Spinner控件Spinner控件Surfaceview類Button控件Button控件圖3-15控件（3）容器在確定好導航模式和控件類型以后，需要選擇容器，將這些控件按照導航模式和容器本身的排布規(guī)則排布其中。目前Android提供的容器主要有：線性布局（LinearLayout）、表格布局（TableLayout）、相對布局（RelativeLayout）、幀布局（FrameLayout）。在進行容器布局的時候，需要考慮它們各自的特征。例如，就開發(fā)成本而言，線性布局最容易開發(fā)，描述的代碼也最精簡，而相對布局就稍顯復雜；就表達能力而言，線性布局更適合一個方向上連續(xù)排列的控件，而相對布局幾乎可以描述任何復雜的交互界面，幀布局的靈活性較差，同時只能呈現(xiàn)一個子控件；就版本兼容性而言，相對布局的兼容性最差，線性布局的兼容性最強。如本節(jié)開頭所述，在開發(fā)中要秉承著不“過度設計”的原則，應盡量先優(yōu)先使用開發(fā)成本低的容器控件去描述界面，再隨著界面逐漸變得復雜嘗試使用表達能力強的控件進行重構(gòu)。因此，本設計選用開發(fā)成本最低的LinearLayout線性布局，不僅貼合了這一原則，還能與所設計的導航樣式相吻合。3.4.2有關(guān)歡迎界面的說明市面上的APP大多帶有歡迎界面，時長一般在2~10秒左右。鑒于本APP應用于氣體泄漏檢測，氣體的泄漏在幾秒內(nèi)可能會迅速擴散，歡迎界面的延遲可能會導致錯過檢測的最佳時機，因此本APP不進行歡迎界面的設計。3.5本章小結(jié)本章主要講解了如何在Android手機上設計配合微型手機熱像儀工作的手機APP，從界面到功能詳細展示了設計過程。本章首先從四部分給出了APP的整體框架，在理論上介紹了USB接口和USB通信，又簡單地說明了Android手機的USB通信模式，明確本設計中所采用的通信模式為USBHOST模式。然后根據(jù)系統(tǒng)要求對烯烴氣體泄漏紅外檢測的手機APP進行了從功能到界面的設計。該手機APP實現(xiàn)了兩種模式下實時測溫場景的預覽，熱圖的拍攝、保存，測溫信息的顯示，滿足了第二章中提出的設計要求。同時在設計時還考慮了整個應用程序的美觀性、運行的穩(wěn)定性和人機交互的方便性，讓其更具有更好的用戶使用體驗。第4章烯烴氣體目標的增強處理4.1概述——動態(tài)目標增強算法作為工業(yè)氣體的烯烴大多無色無味，一旦發(fā)生泄漏無法通過人眼或可見光成像設備直接觀察到，因而可以用紅外成像來進行氣體檢測。但是由于紅外圖像與可見光圖像相比噪聲比較大、對比度較低、動態(tài)范圍較小，細節(jié)部分不夠突出，顯示效果不明顯。因此紅外圖像的增強顯示一直是圖像處理領域的研究熱點。紅外圖像的顯示技術(shù)包含圖像增強、圖像去噪聲和大動態(tài)范圍調(diào)整等幾個部分，其中，圖像增強技術(shù)主要包括空域和頻域兩個方向，空域主要有灰度變化、空域濾波、直方圖均衡化、局部直方圖均衡化、幀間差分算法等，頻域有傅里葉變換、小波變換等。本設計主要在空域內(nèi)對圖像進行處理。灰度變換可調(diào)整圖像的灰度動態(tài)范圍或圖像對比度，是圖像增強的重要手段之一。主要分為線性變換和非線性變換兩種。在曝光不足或過度的情況下，圖像灰度可能會局限在一個很小的范圍內(nèi)。這時在顯示器上看到的將是一個模糊不清、似乎沒有灰度層次的圖像。采用線性變換對圖像每一個像素灰度作線性拉伸，可有效地改善圖像視覺效果。當用某些非線性函數(shù)如對數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等作為映射函數(shù)時，可實現(xiàn)圖像灰度的非線性變換。在本文中所采用的即為灰度變換的圖像處理方法。直方圖均衡化是一種比較常用且有效的圖像增強算法，顧名思義，直方圖均衡化是將原圖像通過某種變換，得到一幅灰度直方圖為均勻分布的新圖像的方法，如圖4-1所示。它主要通過函數(shù)來重新定義灰度值分布，進而改變對比度大小，以達到圖像增強的目的[33]。直方圖均衡化實際上是犧牲了圖像的灰度等級，達到提高圖像對比度的目的。圖4-1直方圖均衡化示例從視頻中查找、識別、檢測出運動物體是視頻圖像跟蹤、氣體檢測等應用領域的重要研究內(nèi)容。準確地將動態(tài)目標從視頻圖像中分割出來是許多智能視頻監(jiān)視系統(tǒng)后續(xù)處理的基礎。幀間差分法和背景差分法是現(xiàn)下比較流行的兩種做法[34]。顧名思義，幀間差分法是通過對視頻圖像序列的連續(xù)兩幀或三幀圖像做差分運算，以獲取運動目標的大致輪廓和所在位置的方法。當場景中有運動的目標時，比如高速運動的乙烯氣流，相鄰幀圖像之間將會出現(xiàn)較為明顯的差別，將兩幀圖像相減后對應位置像素值差的絕對值和某一閾值相比較，從而得到乙烯氣體的大致形狀、所在位置和運動特性，也便于對運動的乙烯氣體進行流量監(jiān)測、體積量化等等。背景差分法是一種對靜止場景進行運動分割的通用方法，它將當前獲取的圖像幀與背景圖像做差分運算，得到目標運動區(qū)域的灰度圖，對灰度圖進行閾值化提取運動區(qū)域，而且為避免環(huán)境光照變化影響，背景圖像根據(jù)當前獲取圖像幀進行更新。4.214位原始灰度圖像的圖像處理一個紅外系統(tǒng)的性能經(jīng)常通過兩個指標——NETD和探測的范圍來衡量。探測的范圍，也就是常說的動態(tài)范圍，意思是探測器能夠檢測到溫度紅外信號的范圍；NETD是噪聲等效溫差的縮寫，意為探測器能檢測到的最小溫度差。這兩項指標就好像衡量紅外系統(tǒng)的一把尺子，探測范圍就是尺子的量程；NETD就是尺子的刻度，即為紅外系統(tǒng)的精度。在自然界中，紅外信號不同于可見光，動態(tài)范圍比較寬，而且物體信號的差異較小，因此需要高bit的數(shù)模轉(zhuǎn)換器去采集紅外信號，常用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器位寬有12bit、14bit、16bit，這也就是為什么紅外圖像多為14bit。許多模擬和數(shù)字視頻接口都要求是8位，而且人眼能識別的灰階只有256級。若想對14bit數(shù)據(jù)進行顯示，就需要將動態(tài)范圍限制在256級灰階。因此，需要將14bit的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8bit。4.2.114位原始灰度數(shù)據(jù)的獲取根據(jù)HCUSBCameraSDK（安卓）開發(fā)指南，每幀裸數(shù)據(jù)包括幀頭部分和數(shù)據(jù)部分。幀頭部分數(shù)據(jù)包含數(shù)據(jù)的寬高信息，寬度為探測器的實際寬度，高度為探測器的實際高度加附加行數(shù)。數(shù)據(jù)部分信息包括兩部分：裸數(shù)據(jù)（像素點的灰度值）和附加行信息。●裸數(shù)據(jù)：每兩個字節(jié)為一個像素點的灰度值，數(shù)據(jù)類型為整型(int型)?！窀郊有行畔ⅲ焊郊有行畔槠渌畔ⅲ话銥閮尚?，目前格式不對外公布裸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式如圖4-2所示。圖4-2實時裸數(shù)據(jù)格式HCUSBCameraSDK（安卓）開發(fā)指南中還給出了調(diào)取14位原始灰度數(shù)據(jù)的流程，如圖4-3所示。圖4-314位原始數(shù)據(jù)調(diào)用流程目前支持五種實時上傳數(shù)據(jù)類型，分別是1-熱成像裸數(shù)據(jù)、2-全屏測溫數(shù)據(jù)、3-實時裸數(shù)據(jù)、4-熱圖數(shù)據(jù)、5-熱成像實時流，在獲取數(shù)據(jù)之前，需要將設備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)修改為1-熱成像裸數(shù)據(jù)，修改數(shù)據(jù)格式需要使用SDK接口sdk.HC_USBCamera_SetConfig(iDevice,39,lpConfig,struConfig.size())，具體代碼如下：先給USB_CAMERA_THERMAL_STREAM_PARAM結(jié)構(gòu)體賦值，設置數(shù)據(jù)類型為1-熱成像裸數(shù)據(jù)，并寫入內(nèi)存，HCUSBCameraSDKByJNA.USB_CAMERA_CONFIGstruConfig3=newHCUSBCameraSDKByJNA.USB_CAMERA_CONFIG();HCUSBCameraSDKByJNA.USB_CAMERA_THERMAL_STREAM_PARAMstruStreamParam3=newHCUSBCameraSDKByJNA.USB_CAMERA_THERMAL_STREAM_PARAM();struStreamParam3.byChannelID=1;struStreamParam3.byVideoCodingType=1;struStreamParam3.write();再將修改后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)傳進SetConfig函數(shù)中，以進行配置，struConfig3.pInBuf=struStreamParam3.getPointer();struConfig3.dwInSize=struStreamParam3.size();struConfig3.write();//將struParam寫入內(nèi)存PointerlpConfig3=struConfig3.getPointer();booleanbRet=sdk.HC_USBCamera_SetConfig(iDev,39,lpConfig3,struConfig3.size());由此就完成了對14位熱成像裸數(shù)據(jù)的設置。原始數(shù)據(jù)存在碼流回調(diào)的幀信息中，先進行碼流回調(diào)調(diào)取：sdkjna.HC_USBCamera_SetConfig(m_iDevId,4,struVideoFormat);//功能：設置視頻設備原始碼流格式s_struStreamCb3.dwSize=s_struStreamCb3.size();s_struStreamCb3.dwStreamType=struVideoFormat.dwStreamType;s_struStreamCb3.fnStreamCallBack=fStreamCallBack;s_struStreamCb3.pUser=null;再調(diào)取幀信息結(jié)構(gòu)體USB_CAMERA_FRAME_INFO：HCUSBCameraSDKByJNA.USB_CAMERA_FRAME_INFOstruFrameInfo=newHCUSBCameraSDKByJNA.USB_CAMERA_FRAME_INFO(pFrameInfo);struFrameInfo.read();原始數(shù)據(jù)存在struFrameInfo.pBuf中，USB_CAMERA_FRAME_INFO結(jié)構(gòu)體見圖4-4。圖4-4USB_CAMERA_FRAME_INFO結(jié)構(gòu)體4.2.214位原始灰度數(shù)據(jù)的成像得到14位原始數(shù)據(jù)后，依照本節(jié)開頭所述，還需將14位數(shù)據(jù)限制在0-255的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換為8bit。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的流程圖如圖4-5所示。圖4-5數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程圖（1）8位原始數(shù)據(jù)的初始處理——利用java自帶的讀寫數(shù)據(jù)函數(shù)將長度為38400的byte數(shù)組data[]寫進文件中，得到原始數(shù)據(jù)格式：第一個像素灰度值高8位（十進制表示），第一個像素灰度值低8位，第二個像素灰度值高8位，第二個像素灰度值低8位……。由此可知，得到的數(shù)據(jù)是無幀頭和附加行信息的裸數(shù)據(jù)，可直接進行處理。Filefile=null;FileWriterfw=null;SimpleDateFormatssssDateFormat=newSimpleDateFormat("dd_hh_mm");Stringdate1=ssssDateFormat.format(newjava.util.Date());file=newFile("/mnt/sdcard/"+date1+".txt");try{if(!file.exists()){file.createNewFile();}fw=newFileWriter(file);for(inti=0;i<data.length;i++){ fw.write(data[i]+",");fw.flush();};}（2）16位灰度數(shù)據(jù)的獲?。耗壳耙粋€像素點的灰度由兩個元素來表示，為了恢復數(shù)據(jù)需要將表示同一個像素點灰度的數(shù)據(jù)整合。將data[]的2i項和2i+1項以256data[2i]+data[2i+1]的形式相加，即得到第i個該像素點的16位灰度值（有效位14位），并放進int數(shù)組newdata[]中。for(inti=0;i<19200;i++){ newdata[i]=256*data[2*i]+data[2*i+1];}（3）灰度變換：這一步的目的是將16位數(shù)據(jù)壓縮至8位?？梢愿鶕?jù)具體情況選擇不同的灰度變換方法，在這里，為了簡單起見，采用的方法是灰度的線性變換方法，基本計算公式為：（4-1）式中，grey_new為該像素點線性變換后的灰度值；grey為該像素點線性變換前的灰度值；max為線性變換前該圖像的最大灰度值；min為線性變換前該圖像的最小灰度值；max_new為擬線性變換后該圖像對應的最大灰度值；min_new為擬線性變換后該圖像對應的最小灰度值。在對14位原始灰度圖做線性變換后，希望圖像灰度范圍越大越好，這樣能夠顯示更多的細節(jié)效果，所以變換后最小和最大灰度對應選取為0和255。式（4-1）簡化為：（4-2）簡言之，先求出int數(shù)組newdata[]的最大元素max和最小元素min，再對newdata[]的每一位元素進行如下操作：newdata[i]=255*(newdata[i]-min)/(max-min)即完成最簡單的灰度線性變換。for(inti=0;i<newdata.length;i++){ if(newdata[i]>max){ max=newdata[i]; } if(newdata[i]<min){ min=newdata[i]; } }for(inti=0;i<newdata.length;i++){ newdata[i]=Math.round(255*(newdata[i]-min)/(max-min));}（4）ARGB格式編碼：經(jīng)灰度變換后的newdata[]每個元素的后八位代表像素點的灰度值。得到8位灰度數(shù)據(jù)后，需要對每一幀進行畫圖。Android中常用的畫圖類是Bitmap，而Bitmap的默認的加載格式為

ARGB_8888

。因此在這里需要將8位灰度轉(zhuǎn)變?yōu)锳RGB_8888格式。ARGB_8888格式每個像素占4個字節(jié)，每個通道(A：alpha，R：red，G：green，B：blue)有8位，各通道順序從高到低為：

ARGB。令R=G=B=newdata[i]，A為ff（或其他值），將編碼后色度數(shù)據(jù)放入位圖中該像素坐標點下：for(inti=0;i<newdata.length;i++){newdata[i]=0XFF+256*256*newdata[i]+256*newdata[i]+newdata[i]}將此代碼調(diào)通后，對二氟乙烷和乙烯氣體進行測試，得到的原始灰度圖像如圖4-6所示（紅框框柱的部分是氣體）。圖4-6氣體模式下對氣體成像（左：二氟乙烷右：乙烯）可以看出，經(jīng)線性變換得到的圖像對比度偏低，灰度分布在前半部分的比重更大，明暗程度較深，在圖像的邊緣部分馬賽克現(xiàn)象比較嚴重。4.2.3利用3-sigma原則對14位原始灰度圖像的處理對于呈現(xiàn)正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，數(shù)值X分布在(μ-σ，μ+σ)中的概率為0.6526，分布在(μ-2σ，μ+2σ)中的概率為0.9544，分布在(μ-3σ，μ+3σ)中的概率為0.9974，其中σ代表變量的標準差，μ代表變量的均值。由此可見X落在(μ-3σ，μ+3σ)以外的概率小于3‰，在實際情況中常認為相應的事件是不會發(fā)生的，因此可以把區(qū)間(μ-3σ，μ+3σ)看作是隨機變量X實際可能的取值區(qū)間，此即為3sigma原則。利用3sigma原則對圖像添加利群值判斷，可以防止某些像素偏差太大而對圖像整體造成影響。3-sigma算法的具體代碼如下： //第一步：求最大最小值 for(inti=0;i<data0.length;i++){ if(data0[i]>max){ max=data0[i]; } if(data0[i]<min){ min=data0[i]; } } //第二步：求矩陣像素平均值和sigma值 for(inti=0;i<data0.length;i++){ sum=sum+data0[i]; } aver=sum/19200; for(inti=0;i<data0.length;i++){ sum_sigma=sum_sigma+(data0[i]-aver)*(data0[i]-aver); } sigma=Math.sqrt(sum_sigma/19200); //第三步：求矩陣像素高低范圍 low=aver-3*sigma; high=aver+3*sigma; //第四步：求矩陣像素高低范圍 if((low>=min)&&(high<=max)){ G_low=128/(3*sigma); G_high=128/(3*sigma); }elseif((low<min)&&(high<=max)){ G_low=128/(aver-min); G_high=128/(3*sigma); }elseif((low>=min)&&(high>max)){ G_low=128/(3*sigma); G_high=128/(max-aver); }else{ G_low=128/(aver-min); G_high=128/(max-aver); } //第五步：對每個元素進行處理 for(inti=0;i<data0.length;i++){ if(data0[i]<aver){ data1[i]=G_low*(data0[i]-aver)+128; }else{ data1[i]=G_high*(data0[i]-aver)+128; } if(data1[i]>255){ data1[i]=255; }else{ data1[i]=Math.round(data1[i]); } data0[i]=(int)data1[i]; data0[i]=256*256*256*250+256*256*data0[i]+256*data0[i]+data0[i];}將代碼調(diào)通后，在同一測試條件下同樣對二氟乙烷和乙烯氣體進行測試，得到的灰度圖像如圖4-7所示（紅框框柱的部分是氣體）。圖4-7氣體模式下3-sigma算法處理后對氣體成像（左：二氟乙烷右：乙烯）可以看到，圖像的灰度分布更加均勻，對比度較簡單線性變換在一定程度上有所提高，但圖像邊緣處的馬賽克現(xiàn)象依然很明顯，圖像處理效果仍然有待加強。4.3本章小結(jié)為了解決氣體目標不夠突出的問題，本章主要利用灰度變換對視頻圖像進行了增強處理。在此之前的視頻圖像為彩色，因此先對14位的原始數(shù)據(jù)進行了采集、調(diào)取、分析后，確定了原始數(shù)據(jù)格式，再利用簡單線性變換和3-sigma算法對原始數(shù)據(jù)進行成像，兩種方法都能看到氣體目標的存在，有利于進行下一步的增強，如偽彩色化、幀間差分等等。

總結(jié)與展望本文首先從研究背景和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀中進行分析，結(jié)合實際生活中烯烴氣體爆炸事故及其重大影響得出烯烴氣體泄漏檢測的重要性，并分析了結(jié)構(gòu)小巧，價格親民、開發(fā)性強的手機熱像儀作為氣體泄漏檢測設備的優(yōu)勢。接著結(jié)合未來使用中的具體情況與場合，對烯烴氣體泄漏紅外檢測手機系統(tǒng)提出了一些設計要求，并根據(jù)此要求逐步提出烯烴氣體泄漏紅外檢測手機系統(tǒng)的設計思路，構(gòu)建出整個烯烴氣體泄漏紅外檢測手機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。然后分別以兩章（第3章和第4章）的內(nèi)容說明了氣體泄漏檢測手機APP的研究以及針對烯烴氣體目標的圖像處理。氣體泄漏手機APP的研究部分，詳細講述了從APP的開發(fā)環(huán)境、開發(fā)框架，到手機系統(tǒng)與探測器設備的通信理論，構(gòu)建出氣體泄漏檢測手機APP開發(fā)架構(gòu)，再在此架構(gòu)上“添磚加瓦”，為其規(guī)劃功能，設計界面，實現(xiàn)了實時視頻圖像的顯示。烯烴氣體目標的增強處理部分主要工作為圖像處理，首先對原始數(shù)據(jù)進行最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的處理，獲得原始的灰度圖，再對原始灰度圖進行3-sigma算法處理，使其圖像品質(zhì)更佳，對比度提升，圖像噪聲更小。數(shù)月耕耘終結(jié)果，在不斷地摸索、試錯、推到重來之后，不僅完成了本課題的主要內(nèi)容，也在此基礎上進行了些許拓展，使得整個烯烴氣體泄漏紅外檢測手機系統(tǒng)基本具備了產(chǎn)品的性質(zhì)。但是隨著設計的推進，我越發(fā)覺得該手機烯烴氣體泄漏紅外檢測系統(tǒng)在功能與性能方面還存在著許多問題和不足，主要有以下幾點。（1）首先，在性能上，為了能夠滿足家庭檢測的需要，探測器從接入手機到開啟可以顯示圖像的響應時間應該越快越好，目前的響應時間約為30秒，時間略長。另外，探測器由手機供電，本身尺寸較小，在工作的過程中產(chǎn)生的溫度散出的不夠迅速，溫升較大，對圖像的影響無法忽略不計（尤其是氣體模式）。為了能夠滿足實際需求，還需在探測器的選擇上作進一步的考量。（2）其次，在APP的功能上，目前所具備的功能十分簡單，不夠強大，只能用于臨時性的或非緊急的場合中，還不足以應用于大規(guī)模的家庭或工業(yè)檢測。如果能夠加入數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)工人信息的錄入以及熱圖信息的上傳，能夠給APP帶來一個更高的飛躍。（3）此外，APP的界面設計也不夠完美?，F(xiàn)在較為成熟的APP頁面開發(fā)都是activity+fragment的開發(fā)模式，界面變化更加靈活美觀。本設計中只有一個主界面，所有的功能和信息都是在一個界面中進行展示，死板的同時也無法更好地劃分與展開功能。（4）動態(tài)目標的增強處理上，由于時間和精力有限，本部分還存在著很多欠缺，有極大的發(fā)揮空間，譬如邊緣的馬賽克現(xiàn)象還可以加以進一步的分析并解決。這部分的圖像處理僅采用了一種算法——3sigma算法，還有許多行之有效的算法，比如幀間差分算法，個人認為非常適合用于本設計，在未來的時日可以加以嘗試。

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