基于VC0701與紅外技術(shù)的人體檢測系統(tǒng)設(shè)計

摘  要：  本文提出了一種基于VC0701和熱釋電紅外傳感器實(shí)現(xiàn)的人體檢測系統(tǒng)的設(shè)計方法。該系統(tǒng)在高噪聲環(huán)境下，尤其是戶外，具有較高的人體識別率。
關(guān)鍵詞：CMOS成像；紅外傳感；人體檢測；太陽能

    目前，大多數(shù)基于圖像的安防設(shè)備都采用CCD或者CMOS傳感器成像，后端DSP處理的模式，根據(jù)序列圖像的差分運(yùn)算進(jìn)行人體檢測。這種方法容易受到光線變化、樹枝擺動、雨雪天氣等外界因素的影響，經(jīng)常產(chǎn)生虛警。為了消除上述干擾，需要特定的算法，從而增加了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性。本文介紹了一種由紅外傳感器和CMOS攝像頭實(shí)現(xiàn)的高性能、低成本的人體檢測系統(tǒng)。此外，整個系統(tǒng)利用太陽能工作，還具有環(huán)保、節(jié)能的特點(diǎn)。

系統(tǒng)的工作原理
    系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)人體進(jìn)入紅外傳感器的探測范圍之后，紅外傳感器會發(fā)出一個高電平的報警信號，該信號經(jīng)過紅外信號處理器放大后送到CPLD中；CMOS成像芯片VC0701具有運(yùn)動檢測功能，在其視野范圍之內(nèi)，外部環(huán)境的任何變化都會觸發(fā)報警信號。上述兩個報警信號同時有效時，CPLD選通蜂鳴器發(fā)出警報；如果VC0701的圖像輸出被設(shè)置成數(shù)字格式，那么報警期間的圖像數(shù)據(jù)將被存儲在16MB的SDRAM中。

 圖1  系統(tǒng)原理框圖

器件的選型與系統(tǒng)設(shè)計
成像模塊的設(shè)計
    由于整個系統(tǒng)采用太陽能蓄電池供電，選擇器件時，在保證性能的前提下，功耗要盡量的低。

    本系統(tǒng)采用中星微公司的電視成像芯片VC0701。VC0701具有運(yùn)動檢測功能，集成了24萬像素的CMOS 圖像傳感器，數(shù)字圖像處理器，視頻編碼器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。VC0701具有自動曝光，自動增益，自動白平衡和背光補(bǔ)償?shù)裙δ?，支持多種視頻圖像輸出格式。

    芯片的工作參數(shù)既可以通過外部引腳的上拉或下拉設(shè)置，也可以通過E2PROM 或者I2C接口進(jìn)行編程控制。

紅外傳感模塊的設(shè)計
    人體的體溫一般都恒定在37℃左右，輻射的紅外線波長在10m左右。被動式熱釋電紅外傳感器由干涉濾光片、紅外感應(yīng)元和場效應(yīng)管匹配器三部分組成。

    干涉濾波片負(fù)責(zé)濾除來自燈光、陽光等的紅外輻射，只允許特定波長范圍內(nèi)的紅外輻射通過，并且把這些紅外線聚集在紅外感應(yīng)元上。紅外感應(yīng)元為熱釋電物質(zhì)，當(dāng)它所接收到的人體紅外輻射強(qiáng)度發(fā)生變化時，失去電荷平衡，開始向外釋放電流。場效應(yīng)管匹配器把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號后輸出。

    紅外感應(yīng)有主動紅外探測和被動紅外探測兩種，主動紅外探測范圍廣，但成本較高。在本系統(tǒng)中，紅外傳感器選用的是NICERA公司的被動紅外傳感器RE46B。RE46B內(nèi)部4個紅外感應(yīng)元串連，表面的菲涅爾透鏡只允許波長范圍為0.2-20m的紅外線通過，在抑制環(huán)境溫度擾動和光源干擾的同時，提高了對人體感應(yīng)的靈敏度。RE46B特有全方位(Omni- directional)的結(jié)構(gòu)，可以有效避免由小動物引發(fā)的虛警。RE46B的有效探測距離為8米。由于RE46B輸出的報警信號非常弱，通常是振幅只有幾個mV的脈沖信號，不能直接供后端使用。設(shè)計時，在RE46B和CPLD之間串接了一個紅外傳感信號處理器——BISS0001。

CPLD和SDRAM
    本系統(tǒng)中，通過CPLD對VC0701進(jìn)行設(shè)置，VC0701輸出PAL制式的彩色電視信號，可直接輸出至普通電視機(jī)上進(jìn)行顯示。CPLD還引出了8位的RGB/YCbCr數(shù)據(jù)線，場同步信號VSYNC，行同步信號HSYNC，像素時鐘PCLK以及I2C總線接口，今后可以做進(jìn)一步的數(shù)字圖像處理。CPLD選用Altera公司的MaxII EPM240，EPM240采用TQFP封裝，可用I/O端口80個，兼容1.5/1.8/2.5/3.3V。

    當(dāng)人體處于紅外傳感器的探測范圍內(nèi)時，由RE46B發(fā)出的報警信號經(jīng)過BISS0001放大，比較后送至CPLD中；此時由VC0701產(chǎn)生的運(yùn)動檢測信號也進(jìn)入到CPLD中。兩路報警信號“與”之后，驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出警報。如果VC0701輸出的為數(shù)字圖像，則在報警期間，圖像數(shù)據(jù)將被保存在SDRAM中。容量為16MB的SDRAM最多可存儲16M/(514×484)=67幅圖像，這些圖像可以通過CPLD預(yù)留的數(shù)據(jù)端口進(jìn)行訪問。

結(jié)語
    本系統(tǒng)利用VC0701和被動熱釋電紅外傳感器RE46B協(xié)同工作進(jìn)行人體檢測?；趫D像內(nèi)容進(jìn)行運(yùn)動檢測的VC0701，解決了紅外傳感器在外界溫度接近人體溫度時的虛警問題；而基于人體溫度進(jìn)行檢測的RE46B，則有效地克服了由外界光線，擾動等非人為因素所引發(fā)的VC0701虛警問題。VC0701靈活的配置方式和豐富的視頻輸出格式大大降低了開發(fā)的難度與成本。試驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)對于半徑6m以內(nèi)的人體目標(biāo)，檢測準(zhǔn)確率在90%以上。尤其在戶外，不僅準(zhǔn)確率比普通基于DSP的人體檢測設(shè)備要高，還能檢測出靜止的或者運(yùn)動速率較低的人體目標(biāo)。