基于紅外線的圖像監(jiān)控系統(tǒng)分析

1. 引言

視覺(jué)是人類最重要的感覺(jué)器官，圖像信息是人們由客觀世界獲得信息的主要來(lái)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(duì)重要對(duì)象進(jìn)行監(jiān)控，無(wú)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(lái)，隨著都市商業(yè)化的進(jìn)一步發(fā)展，賓館、大型超市、股市交易所以及高層建筑等機(jī)構(gòu)如雨后春筍般的出現(xiàn)在每個(gè)城市，雖然它們所進(jìn)行的業(yè)務(wù)大不相同，但它們都無(wú)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(shí)連續(xù)工作，錄像機(jī)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(cè)的形式感應(yīng)出移動(dòng)人體發(fā)出的微量紅外線的特點(diǎn)，使得圖像監(jiān)控系統(tǒng)在有人出現(xiàn)或走動(dòng)時(shí)進(jìn)行拍攝，從而有效地減少冗余信息，使得真正實(shí)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(zhǎng)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(wú)線電波一起,構(gòu)成了無(wú)限連續(xù)的電磁波。

理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明,不僅陽(yáng)光中有紅外線,而且任何物體,只要溫度高于絕對(duì)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(gè)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(zhǎng)也不相同，人體輻射的紅外峰值波長(zhǎng)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(chǎng)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(gè)小透鏡，將警戒區(qū)視場(chǎng)分割成二十四個(gè)小視場(chǎng)（又稱敏感區(qū)），各個(gè)敏感區(qū)被盲區(qū)隔開。來(lái)自各個(gè)小視場(chǎng)的紅外輻射均被會(huì)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(dòng)，由盲區(qū)移向敏感區(qū)或由敏感區(qū)移向盲區(qū)時(shí)，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(guò)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(qiáng)度隨溫度的變化而變化的效應(yīng)。電介質(zhì)在外加電場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象，即會(huì)使電介質(zhì)的一個(gè)表面帶有正電荷，而另一個(gè)表面帶有負(fù)電荷。對(duì)于熱釋電材料來(lái)說(shuō)，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(qiáng)度與溫度有關(guān)。溫度升高，極化強(qiáng)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(shí)，薄片的溫度將升高，極化強(qiáng)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(cè)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(lái)自多個(gè)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(cè)器就可以探測(cè)到某一個(gè)立體防范空間內(nèi)輻射的變化。當(dāng)防范區(qū)域內(nèi)沒(méi)有移動(dòng)的人體等目標(biāo)時(shí)，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(cè)區(qū)域內(nèi)走動(dòng)時(shí)，就會(huì)造成紅外熱輻射能量的變化。紅外傳感器將接收到的活動(dòng)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(hào)，經(jīng)適當(dāng)?shù)奶幚砗螅椭翑z像頭，進(jìn)而拍攝圖像。采用菲涅耳透鏡組探測(cè)移動(dòng)人體如圖2所示。

PIR紅外傳感器的探測(cè)波長(zhǎng)范圍是8—14um，由于人體的紅外輻射波長(zhǎng)正好在此探測(cè)波長(zhǎng)范圍之內(nèi)，因此能較好地探測(cè)到活動(dòng)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(shí)錄像機(jī)以及傳感器等部分組成的。多個(gè)攝像頭可以用于同時(shí)監(jiān)看多個(gè)場(chǎng)所，操作員可以遠(yuǎn)程控制云臺(tái)來(lái)調(diào)整每個(gè)攝像頭的位置以對(duì)準(zhǔn)所關(guān)心的目標(biāo)。根據(jù)實(shí)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(tái)監(jiān)視器，主監(jiān)視器主要用來(lái)顯示多畫面，另外一臺(tái)則用來(lái)單獨(dú)監(jiān)看某一路圖像或者各路的順序切換圖像。對(duì)于某些極其重要的監(jiān)控點(diǎn)應(yīng)該專門配備一臺(tái)監(jiān)視器。延時(shí)錄像機(jī)是每個(gè)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(shí)間在磁帶上記錄一段各路的圖像信號(hào)，它所錄制的信息在很多時(shí)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(shí)連續(xù)工作的，錄像機(jī)不可能記下每一時(shí)刻的圖像信息，所以一般都會(huì)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整延時(shí)錄像機(jī)的采樣間隔時(shí)間。大多數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)都會(huì)配備報(bào)警傳感器，這些傳感器一般都安裝在監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的某些敏感區(qū)域，如果現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)例如火災(zāi)、特殊氣味等情況，傳感器就會(huì)立即給監(jiān)控中心發(fā)出報(bào)警信號(hào)。以上幾個(gè)部分都屬于監(jiān)控系統(tǒng)的外設(shè)，不同的系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)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(gè)系統(tǒng)的大腦，所有從外界進(jìn)來(lái)的圖像以及報(bào)警信息經(jīng)過(guò)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(lái)把被監(jiān)視場(chǎng)所的圖像記錄下來(lái)，為日后對(duì)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(shí)連續(xù)工作的，如果畫面沒(méi)有任何變化，即沒(méi)有目標(biāo)對(duì)象的出現(xiàn)時(shí)，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(shì)必對(duì)存儲(chǔ)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(cè)的形式感應(yīng)出移動(dòng)人體發(fā)出的微量紅外線的特點(diǎn)，使得圖像監(jiān)控系統(tǒng)在有人出現(xiàn)或走動(dòng)時(shí)進(jìn)行拍攝，從而有效地減少冗余信息，使得真正實(shí)用的信息以供系統(tǒng)管理員觀察和處理。從而節(jié)省存儲(chǔ)空間，節(jié)省電能、延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命、提高工作效率。