基于紅外線的圖像監(jiān)控系統(tǒng)分析

1. 引言

視覺是人類最重要的感覺器官，圖像信息是人們由客觀世界獲得信息的主要來源，占人們依靠五官由外界獲得的信息總量的80%.利用圖像技術(shù)對重要對象進行監(jiān)控，無疑是監(jiān)控方式當(dāng)中獲得信息最多，也是最直觀的一種方式。近些年來，隨著都市商業(yè)化的進一步發(fā)展，賓館、大型超市、股市交易所以及高層建筑等機構(gòu)如雨后春筍般的出現(xiàn)在每個城市，雖然它們所進行的業(yè)務(wù)大不相同，但它們都無一例外的使用了圖像監(jiān)控系統(tǒng)。而目前的監(jiān)控系統(tǒng)一般都是24小時連續(xù)工作，錄像機記下的圖像信息中有大量的冗余信息，本文提出一種熱釋電紅外線感應(yīng)器，并把它引入圖像監(jiān)控系統(tǒng)的攝像頭通道中，利用它能以遙測的形式感應(yīng)出移動人體發(fā)出的微量紅外線的特點，使得圖像監(jiān)控系統(tǒng)在有人出現(xiàn)或走動時進行拍攝，從而有效地減少冗余信息，使得真正實用的信息以供系統(tǒng)管理員觀察和處理。

2. 熱釋電紅外線感應(yīng)器

2.1紅外線
紅外線是一種電磁波,在電磁波譜中的位置是處于紅外端,波長范圍大致是0.76um—1000um。紅外線與可見光、紫外線、Ｘ射線、γ射線及無線電波一起,構(gòu)成了無限連續(xù)的電磁波。

理論分析和實驗研究表明,不僅陽光中有紅外線,而且任何物體,只要溫度高于絕對零度,就在不停地輻射紅外線。因此,紅外線普遍存在于自然界中。我們?nèi)梭w也是一個紅外輻射源，它與室內(nèi)其它背景物體不但在紅外輻射能量方面有所不同，而且各自輻射的紅外線的峰值波長也不相同，人體輻射的紅外峰值波長約在10um處。

2.2結(jié)構(gòu)及其主要元件器
由外殼和菲涅耳透鏡、PIR紅外傳感器、專用IC（WT8072）等電路組成熱釋電紅外線感應(yīng)器。

l 菲涅耳透鏡
菲涅耳透鏡是一種精密的光學(xué)器件，一般是由聚乙稀壓注而成的薄片，薄片上刻有精密細(xì)致的紋理。目前，多采用性能優(yōu)良的紅外塑料透鏡-----多層光束結(jié)構(gòu)的菲涅耳透鏡。三層結(jié)構(gòu)的多視場菲涅耳透鏡組的結(jié)構(gòu)如圖1所示

透鏡由三層構(gòu)成，它利用二十四個小透鏡，將警戒區(qū)視場分割成二十四個小視場（又稱敏感區(qū)），各個敏感區(qū)被盲區(qū)隔開。來自各個小視場的紅外輻射均被會聚到位于透鏡凹面下方處的紅外傳感器上。盲區(qū)的尺寸雖然比敏感區(qū)的尺寸要小得多，但當(dāng)人體在防范區(qū)內(nèi)移動，由盲區(qū)移向敏感區(qū)或由敏感區(qū)移向盲區(qū)時，人體所發(fā)出的紅外輻射就一次又一次地被盲區(qū)所阻斷，而只有通過敏感區(qū)的紅外輻射才能被紅外熱電元件所接收。

l PIR紅外傳感器
PIR紅外傳感器（又稱紅外熱釋電傳感器），這種材料具有熱釋電效應(yīng)。所謂熱釋電效應(yīng)是指該種材料中自發(fā)極化的強度隨溫度的變化而變化的效應(yīng)。電介質(zhì)在外加電場的作用下會產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象，即會使電介質(zhì)的一個表面帶有正電荷，而另一個表面帶有負(fù)電荷。對于熱釋電材料來說，在外加電壓去掉后，仍可自行保持著這種電極化狀態(tài)的現(xiàn)象就稱為是“自發(fā)極化”現(xiàn)象。這種自發(fā)極化的強度與溫度有關(guān)。溫度升高，極化強度降低，即單位面積上的電荷減少。用熱釋電材料制成厚度極薄的片，并使之形成自發(fā)極化。當(dāng)它受到紅外輻射源的照射時，薄片的溫度將升高，極化強度減弱，表面電荷將減少。通常將釋放掉的這部分電荷就稱為熱釋電電荷。由于熱釋電電荷的多少可以反映出材料溫度的變化，所以由熱釋電電荷經(jīng)電路所轉(zhuǎn)變成的輸出電壓也同樣可以反映材料溫度的變化，從而探測出紅外輻射能量的變化。

紅外傳感器的光學(xué)系統(tǒng)可以將來自多個方向的紅外輻射能量經(jīng)反射或特殊的透鏡透射后全都集中在紅外傳器上。這樣，紅外探測器就可以探測到某一個立體防范空間內(nèi)輻射的變化。當(dāng)防范區(qū)域內(nèi)沒有移動的人體等目標(biāo)時，由于所有的背景物體在室溫下紅外輻射的能量比較小，而且基本上是穩(wěn)定的，所以不能觸發(fā)攝像頭，即攝像頭不工作。當(dāng)有人體在探測區(qū)域內(nèi)走動時，就會造成紅外熱輻射能量的變化。紅外傳感器將接收到的活動人體與背景物體之間的紅外熱輻射能量的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，經(jīng)適當(dāng)?shù)奶幚砗?，送至攝像頭，進而拍攝圖像。采用菲涅耳透鏡組探測移動人體如圖2所示。

PIR紅外傳感器的探測波長范圍是8—14um，由于人體的紅外輻射波長正好在此探測波長范圍之內(nèi)，因此能較好地探測到活動的人體。

2.3熱釋電紅外線感應(yīng)器的原理圖
由外殼和菲涅耳透鏡、PIR紅外傳感器、專用IC（WT8072）等電路組成熱釋電紅外線感應(yīng)器，已經(jīng)做好PCB板并調(diào)試成功。原理圖如下所示：

3.熱釋電紅外線感應(yīng)器在圖像監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

由圖4中可以看出，監(jiān)控系統(tǒng)是由多畫面處理器、攝像頭、監(jiān)視器、延時錄像機以及傳感器等部分組成的。多個攝像頭可以用于同時監(jiān)看多個場所，操作員可以遠(yuǎn)程控制云臺來調(diào)整每個攝像頭的位置以對準(zhǔn)所關(guān)心的目標(biāo)。根據(jù)實際需要，可以為系統(tǒng)配備不同數(shù)目的監(jiān)視器。例如普通的監(jiān)控系統(tǒng)一般都配備兩臺監(jiān)視器，主監(jiān)視器主要用來顯示多畫面，另外一臺則用來單獨監(jiān)看某一路圖像或者各路的順序切換圖像。對于某些極其重要的監(jiān)控點應(yīng)該專門配備一臺監(jiān)視器。延時錄像機是每個監(jiān)控系統(tǒng)必不可少的重要部分，其功能是每隔一定的時間在磁帶上記錄一段各路的圖像信號，它所錄制的信息在很多時候能為案件的偵破提供重要的線索和證據(jù)。由于監(jiān)控系統(tǒng)一般都是24小時連續(xù)工作的，錄像機不可能記下每一時刻的圖像信息，所以一般都會根據(jù)實際情況調(diào)整延時錄像機的采樣間隔時間。大多數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)都會配備報警傳感器，這些傳感器一般都安裝在監(jiān)控現(xiàn)場的某些敏感區(qū)域，如果現(xiàn)場出現(xiàn)例如火災(zāi)、特殊氣味等情況，傳感器就會立即給監(jiān)控中心發(fā)出報警信號。以上幾個部分都屬于監(jiān)控系統(tǒng)的外設(shè)，不同的系統(tǒng)會根據(jù)實際需要進行不同的配置，而多畫面處理器卻是所有監(jiān)控系統(tǒng)的核心。它相當(dāng)于整個系統(tǒng)的大腦，所有從外界進來的圖像以及報警信息經(jīng)過多畫面處理器的加工后，才能變成有用的信息以供系統(tǒng)管理員觀察和處理。

圖像監(jiān)控系統(tǒng)是用來把被監(jiān)視場所的圖像記錄下來，為日后對某些事件的處理提供方便條件和重要依據(jù)。由于監(jiān)控系統(tǒng)一般都是24小時連續(xù)工作的，如果畫面沒有任何變化，即沒有目標(biāo)對象的出現(xiàn)時，而攝像頭卻一直在工作并記錄，這將產(chǎn)生大量的冗余信息，勢必對存儲器產(chǎn)生更大的要求。

本文提出一種熱釋電紅外線感應(yīng)器，并把它引入圖像監(jiān)控系統(tǒng)的攝像頭通道中，利用它能以遙測的形式感應(yīng)出移動人體發(fā)出的微量紅外線的特點，使得圖像監(jiān)控系統(tǒng)在有人出現(xiàn)或走動時進行拍攝，從而有效地減少冗余信息，使得真正實用的信息以供系統(tǒng)管理員觀察和處理。從而節(jié)省存儲空間，節(jié)省電能、延長系統(tǒng)壽命、提高工作效率。