熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的特征與應(yīng)用

文/吳康

所有傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)均有基本物理限制：需要在光線下工作，至少到目前為止是這樣。

當(dāng)然，部分網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)擁有日／夜轉(zhuǎn)換模式，可以在光線極暗的環(huán)境下工作，光線強(qiáng)度不到1勒克斯時(shí)也可以應(yīng)付。如果沒(méi)有自然光，則可以用電光替代，肉眼可見(jiàn)或紅外線可見(jiàn)均可。但是在某些情況下，這些解決方案的缺點(diǎn)也比較明顯，如價(jià)格昂貴、能耗高、照明會(huì)產(chǎn)生闖入者可以躲芷藏陰影等等。這是傳統(tǒng)熱成像技術(shù)的不足，也是作為需要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)的熱成攝像機(jī)所面臨的挑戰(zhàn)。

隨看成熱像技術(shù)的發(fā)展與網(wǎng)絡(luò)化，新穎熱成像技術(shù)正在不斷升溫，于是成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)將成為所有專業(yè)IP監(jiān)控系統(tǒng)的完美補(bǔ)充，它能夠無(wú)縫地集成到現(xiàn)有的設(shè)備（如網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)）中，在完全黑暗的環(huán)境下監(jiān)控某個(gè)地區(qū)或周邊地區(qū)。熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)呈現(xiàn)能夠完美地補(bǔ)充和完善網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)，確保物體、人和事件得到全天候監(jiān)控。值此本文將對(duì)補(bǔ)充和完善網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)的熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)技術(shù)特征與應(yīng)用作研討，并對(duì)其核心部件熱成像探測(cè)器的技術(shù)應(yīng)用特征作解析。

不斷創(chuàng)新的新穎熱成像技術(shù)

熱成像并不是一項(xiàng)新技術(shù)。但是這項(xiàng)技術(shù)的花費(fèi)一直非常高，因此在軍事以外的其它領(lǐng)域應(yīng)用較少。近來(lái)隨著新傳感器、新材料和其它改進(jìn)技術(shù)的推出，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍正在擴(kuò)展，價(jià)格也日趨合理。即使在完全黑暗、濃霧、煙霧、雨、雪甚至強(qiáng)光刺眼的環(huán)境下，熱成像/熱感網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)仍能檢測(cè)到處于境中的人和物體，見(jiàn)圖1所示。

因此，現(xiàn)在，在飛機(jī)制造業(yè)、航運(yùn)業(yè)和安防業(yè)等諸多行業(yè)均可以見(jiàn)到熱感網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的身影。熱成像技術(shù)在消防和執(zhí)法等公共服務(wù)中也得到了應(yīng)用。

技術(shù)指標(biāo)的更新

和其它攝像機(jī)一樣，熱成像/熱感網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)收集形成圖像的電磁輻射。傳統(tǒng)的攝像機(jī)可捕捉波長(zhǎng)為400-700納米(0.4-0.7微米)的可見(jiàn)光；而熱感網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)能檢測(cè)到波長(zhǎng)更長(zhǎng)的放射線，可達(dá)約1，400納米(14微米)。在這一電磁頻譜范圍內(nèi)的放射線被稱為紅外線(IR)：紅外波段又劃分成多個(gè)子波段。近紅外線的波長(zhǎng)約為0.7-1.5微米：肉眼無(wú)法觀察到近紅外線。而熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)傳感器能檢測(cè)和利用這種放射線。所謂的“全天候”攝像機(jī)在白天借助紅外濾光片過(guò)濾紅外光，因此，它不會(huì)改變?nèi)搜鬯吹降膱D像的顏色，當(dāng)這種熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在夜間模式工作時(shí)，不使用紅外濾光片。由于人眼無(wú)法看到紅外線，因此，熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)以黑、白兩種顏色顯示圖像。近紅外線也需要某種光源，如月光這樣的自然光源或者路燈、專用紅外燈等人工光源。

除可見(jiàn)光外，其它波段的紅外線通常分為以下幾類：短波紅外線(5WIR)，波長(zhǎng)約為1-3微米；中波紅外線(MWIR)，波長(zhǎng)約為3-5微米；長(zhǎng)波紅外線(LWIR)，波長(zhǎng)約為8-12微米；超長(zhǎng)波紅外線

圖1 熱成像/熱感網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在完全黑暗環(huán)境中檢測(cè)到的人和物體

圖2 為熱成像/熱感網(wǎng)絡(luò)攝像在環(huán)境差中攝錄出著色的圖像

請(qǐng)注意5微米

傳統(tǒng)的攝像機(jī)僅可接收波長(zhǎng)在0.4-0.7微米之間的可見(jiàn)光，而熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)能檢測(cè)到紅外頻譜寬至約14微米的放射線。

技術(shù)特征

人眼看到的圖像可以被視為不同物體所反射的光。沒(méi)有光線就不會(huì)產(chǎn)生反射，因此人眼在沒(méi)有光線的情況下看不見(jiàn)東西。然而，熱成像卻不依賴于可見(jiàn)光。相反，圖像來(lái)自于紅外線拍攝。由于周圍的光線強(qiáng)度不會(huì)對(duì)它產(chǎn)生影響，因此即使在完全黑暗的環(huán)境下它也可以良好運(yùn)行。這一技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的原因在于，所有的物體，不論有機(jī)還是無(wú)機(jī)，均會(huì)由于自身的溫度作用而發(fā)射一定數(shù)量的紅外線。所有絕對(duì)溫度高于0開(kāi)（-273oC或-459oF）的物體都會(huì)發(fā)射一定數(shù)量的紅外線。這意昧著即便是溫度極低的物體(如：冰、冬天在室外放置的鋼鐵等)也會(huì)產(chǎn)生熱輻射。

物質(zhì)能夠以輻射的方式向外導(dǎo)熱的能力被稱為放射率。所有物質(zhì)都具備或高或低的放射率。物質(zhì)的放射率值為0至1，取決于物質(zhì)本身的屬性。只適用于一種稱之為黑體的理論上的物質(zhì)，通常，物體表面越粗糙、顏色越暗，它的放射率值越接近1。相反，反射能力越強(qiáng)的物質(zhì)，其放射率的值越低。例如，經(jīng)高度拋光的銀和銅的放射率分別為0.02和0.03。拋光后的鐵的放射率約為0,14至0.035，而紅褐色的鐵的放射率為0,61。一塊能有效地阻止熱輻射的普通玻璃的放射率為0.92。

熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)能檢測(cè)到所有物體發(fā)出的熱輻射。它能夠形成黑白圖像；同時(shí)為方便人們辨別不同的陰影，還可人為地給圖像著色，見(jiàn)圖2所示。

物體產(chǎn)生的熱輻射還取決于其自身的溫度，溫度越高，產(chǎn)生的熱輻射越強(qiáng)。人眼雖然無(wú)法看到紅外線，但是我們可以感覺(jué)到它，例如當(dāng)我們靠近篝火或進(jìn)入桑拿室時(shí)圖像中不同部分的溫差越大，熱成像也就越清晰。此外，有些物質(zhì)的放射率在中波紅外頻譜和長(zhǎng)波紅外頻譜環(huán)境下有所差異。在成像應(yīng)用中，這些放射率上的差異一般不重要：原因在于感光度決定了攝像機(jī)區(qū)分溫度差異的能力。有時(shí)，熱成像與色彩的亮度和對(duì)比度有關(guān)，這似乎有點(diǎn)奇怪，似乎對(duì)可見(jiàn)光光譜范圍外的光線也起作用。這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是攝像機(jī)以數(shù)字的方式記錄顏色，這些顏色被稱為偽色。每種顏色或者每種色調(diào)的細(xì)微差別代表不同的溫度。通常，白色和紅色代表較高的溫度，綠色代表中間溫度，而藍(lán)色和紫色代表較低的溫度。究其原因，最重要的一點(diǎn)是人眼辨識(shí)色彩陰影的能力比辨識(shí)灰度的能力強(qiáng)。

應(yīng)該說(shuō)，從成像技術(shù)與應(yīng)用的角度，與熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)密切相聯(lián)的是熱成像探測(cè)器或稱熱感攝像機(jī)的傳感器。其熱成像探測(cè)器將是熱感攝像機(jī)傳感器的核心部件，它是熱感攝像機(jī)技術(shù)指標(biāo)與靈敏度高低的關(guān)鍵。為此將對(duì)其新型熱成像探測(cè)器應(yīng)用特征作研討。

而當(dāng)今熱成像探測(cè)器可大致分為以下兩種類型：用于處理中波紅外線(MWIR)的制冷式熱成像儀和用于處理長(zhǎng)波紅外線(LWIR)的非制冷式熱成像儀。

新型熱成像探測(cè)器技術(shù)應(yīng)用特征

溫度越低效果越好的制冷式探測(cè)器

通常，在溫度低于60～100開(kāi)(相當(dāng)于-210oC～170oC 或-346oF～274oF)的真空密閉環(huán)境下，會(huì)用到制冷式紅外線探測(cè)儀。環(huán)境溫度決定成像效果。上述極端低溫環(huán)境可使用低溫制冷器形成。對(duì)熱感應(yīng)噪聲需要通過(guò)冷卻來(lái)降低。在較高溫度的環(huán)境下，傳感器可能受自身產(chǎn)生的輻射影響，難以感知外部輻射。該設(shè)備導(dǎo)致探測(cè)器不僅笨重昂貴，而且能耗非常高。盡管這一技術(shù)的應(yīng)用成本高、需要維護(hù)，但它也有自身的優(yōu)勢(shì)。探測(cè)器可以探測(cè)到中波頻段的放射線，能提供更好的空間分辨率，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)越短，產(chǎn)生的熱對(duì)比度越高。因此，制冷式探測(cè)器能分辨較小的溫度差別并產(chǎn)生高分辨率的清晰圖像。

探測(cè)器的另一大優(yōu)點(diǎn)是靈敏度較高，可支持使用光圈系數(shù)較高的鏡頭，因此，制冷式探測(cè)器是長(zhǎng)距離探測(cè)應(yīng)用(如：5千米～16千米【3～10英里】)的更好選擇。

性能出眾的非制冷式技術(shù)

非制冷式熱感攝像機(jī)的傳感器并未采用低溫制冷工作原理。在這種情況下，傳感器使用相對(duì)簡(jiǎn)單的溫度控制器件，使溫度穩(wěn)定在或接近于環(huán)境溫度。這種傳感器對(duì)長(zhǎng)波紅外線起作用。在傳感器的設(shè)計(jì)中，普遍采用微測(cè)技術(shù)。這是硅元件上的一個(gè)小電阻，其阻值隨溫度產(chǎn)生變化，具有絕熱特性，并以電子方式顯示溫度。環(huán)境溫度改變后，輻射熱測(cè)定器的測(cè)定值隨之改變；該測(cè)定值可轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，經(jīng)處理之后形成圖像。攝像機(jī)對(duì)紅外輻射的敏感程度(即辨別同一環(huán)境中不同溫度的能力)以NETD(噪聲當(dāng)量溫度差)值表示。最新一代的輻射熱測(cè)定器的NETD值可低至20mK。

非制冷式熱感攝像機(jī)傳感器的體積較小，集成了較少量的可移動(dòng)部件。因此，與制冷式熱感攝像機(jī)傳感器相比，它們的成本更低、服務(wù)期限更長(zhǎng)。制冷式攝像機(jī)每工作8000～10000小時(shí)需要更換一次低溫冷卻劑，而非制冷式攝像機(jī)可連續(xù)工作多年。

獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)應(yīng)用上的新臺(tái)階

可在風(fēng)雨無(wú)阻中應(yīng)用

熱感攝像機(jī)不僅可以在完全黑暗的環(huán)境下正常工作，在薄霧、灰塵、雨、雪和煙塵等苛刻的天氣條件下均可保持良好運(yùn)行。盡管如此，熱感攝像機(jī)的性能仍然存在物理限制。在深陰影或其它難以取得照明的環(huán)境中，熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)是普通監(jiān)控?cái)z像機(jī)的最佳的完美補(bǔ)充。從圖3（a）熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)圖像與圖3（b）普通監(jiān)控?cái)z像機(jī)圖像之比較可看普通監(jiān)控?cái)z像機(jī)看不清的圖像則熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的圖像是一目了然。

空氣中的水滴或微小的灰塵顆粒會(huì)阻礙單一物體熱輻射的傳送，使得遠(yuǎn)距離監(jiān)控難上加難。薄霧和雨雪等天氣條件會(huì)影響攝像機(jī)的性能。水會(huì)限制熱輻射，空氣中的水分會(huì)使圖像中不同物體之間的溫差達(dá)到平衡。因此在大氣條件相似的情況下，與濕度通常較高的夏季相比，在天氣晴朗、天氣條件較好的冬季使用熱感網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)拍攝出的圖像質(zhì)量更高，也更加清晰。即使考慮到這些限制因素，熱感網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在各種苛刻天氣條件下的偵測(cè)效果也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)攝像機(jī)。

圖3 （a）熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)圖像（b）普通監(jiān)控?cái)z像機(jī)圖像

可應(yīng)用于視頻監(jiān)控系統(tǒng)之中

盡管熱感網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的投資成本非常高，但它在安全和監(jiān)控領(lǐng)域已獲得了認(rèn)可。這種攝像機(jī)主要用于對(duì)安全性有極高要求的建筑物和地區(qū)，例如：核電站、監(jiān)獄、機(jī)場(chǎng)、管道及敏感鐵路路段。但迄今為止，要將熱感網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)集成到傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，并不容易做到。當(dāng)然，隨著熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的發(fā)展，兼容性問(wèn)題將會(huì)被消除。例如，新設(shè)備將更容易整合到已有的視頻管理系統(tǒng)中。IP監(jiān)控帶來(lái)的諸多益處還包括：互聯(lián)網(wǎng)供電(PoE)、分布式智能視頻、標(biāo)準(zhǔn)化視頻壓縮技術(shù)和音頻支持。PoE是一種通過(guò)以太網(wǎng)來(lái)同時(shí)安全傳輸電力和數(shù)據(jù)的技術(shù)：它不需要使用電纜，因此安裝成本大大降低。智能視頻指在解決方案中，視頻監(jiān)控系統(tǒng)能自動(dòng)對(duì)捕獲到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(如動(dòng)作檢測(cè)、音頻檢測(cè)和虛擬圍欄)，或在攝像機(jī)被破壞或被惡競(jìng)拆改時(shí)報(bào)警。在熱成像網(wǎng)絡(luò)像攝機(jī)中，這一分析功能可以提高攝像機(jī)的工作效率、增強(qiáng)其可擴(kuò)展性。

熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在陰影處沒(méi)有潛伏。熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)也可用于室內(nèi)監(jiān)控，以提升樓宇的治安工作質(zhì)量、提高應(yīng)急處理能力。在樓宇內(nèi)安裝熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)后，可確保在樓宇關(guān)閉后不會(huì)有人藏在其中，從而避免產(chǎn)生惡意人為破壞及騷亂。

值得注意的是有二個(gè)問(wèn)題

其一是，有一點(diǎn)困擾，那就是不存在適用于熱感攝像機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)。而焦距的調(diào)整或特殊視角的處理都必須在工廠完成。由于普通玻璃能有效地阻擋熱輻射，因此，不能使用常規(guī)光學(xué)系統(tǒng)和鏡頭。為此，生產(chǎn)廠商家不得不依賴于其它材料。目前，在熱感攝像機(jī)光學(xué)系統(tǒng)中常用到鍺。鍺是一種非常昂貴的非金屬物質(zhì)，其化學(xué)性質(zhì)類似于錫和硅，它可以在允許熱感輻射通過(guò)的同時(shí)屏蔽可見(jiàn)光。當(dāng)然，對(duì)熱感攝像機(jī)的外殼也有同樣的要求，不能在室外熱感攝像機(jī)中使用標(biāo)準(zhǔn)外殼。外殼和鏡頭一樣，必須使用熱感攝像機(jī)專用外殼；其二是，熱感攝像機(jī)的分辨率通常比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)低很多。這主要是由于熱成像中涉及的傳感器技術(shù)花費(fèi)更高。由于熱感攝像機(jī)機(jī)的首要用途是偵測(cè)而非識(shí)別，因此大部分監(jiān)控應(yīng)用的幀速較低不呈什么問(wèn)題。

熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在陰影處沒(méi)有潛伏，故它也可用于室內(nèi)監(jiān)控，以提升樓宇的治安工作質(zhì)量、提高應(yīng)急處理能力。在樓宇內(nèi)安裝熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)后，可確保在樓宇關(guān)閉后不會(huì)有人藏在其中，從而避免產(chǎn)生惡意人為破壞及騷亂。

結(jié)束語(yǔ)

隨著熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)設(shè)備的價(jià)格逐漸降低且成為IP監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，它在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成為可能，在價(jià)格上也更加易于接受。熱成像/熱感網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在很多情況下均可以很好地補(bǔ)充傳統(tǒng)攝像機(jī)的性能不足。當(dāng)然，熱感攝像機(jī)在完全黑暗環(huán)境中的性能是無(wú)以倫比的。在沿海地帶、海港或所有其它寬闊的開(kāi)放水域等難以提供有效照明的地區(qū)，熱感攝像機(jī)也是很好的選擇。相似地，人工照明不僅存在暴露攝像機(jī)安放位置的風(fēng)險(xiǎn)，從而使攝像機(jī)被破壞或避開(kāi)，還會(huì)產(chǎn)生投射陰影，從而導(dǎo)致闖入者利用陰影避開(kāi)偵測(cè)。

此外，探照燈除了照明以外，也會(huì)遮擋光線。因此在各種交通條件下，不論是鐵路軌道、飛機(jī)跑道還是普通街道，不依賴于光線的攝你機(jī)都是首選。此外，熱感攝像機(jī)在強(qiáng)光或激光束下不會(huì)失去監(jiān)控能力。

總而言之，熱成像/熱感網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)能夠完美地補(bǔ)充和完善網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)，確保物體、人和事件得到全天候監(jiān)控。