科技部工程司109年度產學計畫優良成果|電子資通領域

IR技術的再度昇華：

暨大電機-捷揚航電 產學攜手讓IR應用至航太領域

計畫基本資料

計畫名稱：高解析度熱影像感測系統之電路設計與實現

編號：MOST 107-2622-E-260-002-CC3

執行單位：國立暨南國際大學電機工程學系(所)

主持人：李佩君

參與人員：郭子正、許軒豪、翁琦緯、姚錫泓、李宗禧、裴重恩、許荐智、

          劉光喆、吳恩霈

合作企業：捷揚航電股份有限公司

文/圖：李佩君、許軒豪、郭子正   編輯：張萬珍

暨大電機李佩君教授（左二）研究團隊與捷揚航電陳良豐總經理（右二）帶領之研發團隊合影

因臺灣特殊而敏感的地理與政治環境，市面上可購買的紅外線感測器其解析度皆在320 X 240左右，每秒可拍攝張數相當低。相較於市售的可見光相機，如手機相機動輒每秒60張4K解析度影像的效能，市售紅外線攝影機的解析度及每秒拍攝張數相形見絀。

李佩君教授回憶，在開始研究紅外線攝影機的前幾年，實驗室的暑假總是伴隨著新進大三專題學生的抱怨開始的。抱怨的語句也許稍有不同，但離不開：這個紅外線攝影機怎麼解析度這麼低啊！或是，這個紅外線攝影機怎麼每秒只能拍9張啊！這類對市售紅外線攝影機的不滿，隨著大三的學生升上大四，大四的學生成了研究生重新回到實驗室。某一天，原本的抱怨不知怎麼地突然轉成了建議：這個紅外線攝影機的解析度跟FPS這麼難看，為什麼我們不自己做一個更好的呢？

一份天使基金和一通電話開啟了暨大電機系與捷揚航電公司合作的契機，捷揚航電公司在機構、電路設計與FPGA硬體已累積高度的實力，而暨大電機系李佩君教授的團隊負責了FPGA上影像讀出系統到影像處理的研發，產學合作共同開發出一款高解析度紅外線影像系統模組。

李教授表示，計畫團隊挑戰的是更高解析度640 X 480的紅外線攝影機，並以640 X 480解析度之基礎，應用深度學習神經網路的訓練學習開發基於對抗式生成網路之單張紅外線影像超解析架構(Generative Adversarial Network Based Single Infrared Image Super Resolution, Genesis)技術，將解析度放大4倍，提升到2560 X 1920！李教授指出，利用超解析對抗生成網路(Genesis)處理後的結果比起一般差值擴展解析度演算法(Bicubic)的結果，圖像細節變得更詳細且銳利，在圖像邊緣以及雜訊抑制上都遠優於傳統Bicubic的結果。

同時，因紅外線感測器在接收能量並轉換成電壓訊號的過程中，每個像素點上像素的增益(gain)和偏移(offset)都會有所不同，導致影像不均勻。計畫團隊採用兩點校正的非均勻校正法(Non-uniformity correction)，校正感測器上所有的像素點。在取得兩個不同溫度的黑體影像後，計算並記錄焦平面陣列的每個像素增益與偏差值的調整值，並在拍攝過程中，即時修正原始資料，可得到更佳的紅外線影像。

而對於感測器陣列上無法偵測到正確訊號數值的缺陷像素/壞點，有別於一般採取恆暗、恆亮抑或恆定的數值，因而影響影像擷取準確率的方法，計畫團隊能針對個別紅外線感測器紀錄缺陷像素/壞點的位置，並以中值濾波修正缺陷像素/壞點，提升影像擷取的準確率。

李教授表示，計畫團隊期望此高解析度紅外線影像系統模組可帶給國內紅外線熱感測開發與研究的新方向，將人工智能影像處理的能量注入產業鏈，達成自製國防保安關鍵技術的能力，應用於軍事、保安、鑑識、天文、遙測、探勘等領域。目前產品已開始試產，之後將與捷揚航電公司合作將技術應用部署於衛星或無人機，強化國內探勘及遙測產品的競爭力。

常有人問李教授為什麼要做紅外線攝影機？它的市場大、衍生效益多嗎？對軍事有沒有幫助呢？李教授分享了美國物理學家Robert R. Wilson的故事。在Wilson主持設計建造費米實驗室期間，一位參議員問他這裡的研究對國防軍事有什麼用途。參議員問道：「這個加速器能對國家安全有任何幫助嗎？」Wilson博士回答：「沒有，我相信沒有。」參議員又再問了一次：「真的沒有絲毫作用嗎？」Wilson博士肯定的回答：「它只對我們彼此之間的尊重、人民的尊嚴、以及我們對文化的熱愛有關。它與我們是不是好的畫家、塑像家、偉大的詩人有關。我的意思是，在這個國家中，這些我們真正敬畏景仰及尊重的事物，都與愛國有關。它與捍衛我們的國家沒有直接關係，除了讓它更值得保衛。」

李教授也有同樣的襟懷和眼界，她說：「我們所開發研究的新知識，以及所贏得的成就和榮譽，如果能讓國家更值得保衛，那就太好了不是嗎？」

李教授表示，在這項計畫中，產學雙方都以互相加乘的心出發，一起解決問題，果然做出具有市場競爭力的研發成果。尤其讓她欣慰的是學生能從不安於現狀中萌生研發的創意，一步步的學習，跟學長姐請教並跟合作廠商一起向目標開發，她說：「培育人才可以從一顆想要解決問題的心開始！或許實驗室的下一個開發目標也將出現在新的日常抱怨中？」

捷揚航電將計畫成果商品化之成體與系統

本項計畫是李佩君教授研究團隊進行紅外線攝影機開發計畫系列的第二年，在第一年後，實驗室以自行開發的機種取代市售紅外線攝影機，誘發出更多的創意發想，同學們樂在學習，熱心研究，李教授說：「這是計畫對我們最大也最好的影響。」

捷揚航電公司高度肯定這項產品，陳良豐總經理表示，這組紅外線攝影機的解析度很高，可以清楚拍到電路板上元件的細緻發熱狀況，很容易能找出設計或是散熱的問題，不像以前用低解析度的紅外線攝影機，要找出正確發熱源只能在一個範圍內做推測。同時，研發成果已進入商品化，代理商準備銷往國外，應用於航太領域。計畫團隊相信，如果這項產品廣泛應用於學界和產業界，必將對國內的智慧製造、國防、航太等產業提供諸多助益。