智能紅外監(jiān)控攝像機在體溫識別中的應(yīng)用

侯偉 韓業(yè)飛 王軍 鮑幸吉

（1.國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團有限公司 北京市 102209 2.北京國電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司 北京市 102208）

在我國，隨著紅外技術(shù)發(fā)展水平的不斷提高，紅外監(jiān)控攝像機已經(jīng)普遍化的使用到與其相關(guān)的醫(yī)療、軍事、公共安全等社會及人民意識形態(tài)中的重要領(lǐng)域。

同時，隨著計算機視覺計算的飛速發(fā)展，遠程紅外測溫方法逐漸受到重視，可以通過熱紅外技術(shù)非接觸地大范圍測量物體的表面溫度，同時對成像區(qū)域內(nèi)進行多點測溫。而采用紅外監(jiān)控攝像機和視頻信息融合的人群體溫檢測技術(shù)，可以對特定研究對象進行特征提取，并測量特定對象的表面溫度。

目前，遠程紅外測量溫度方法的研究更加深入。傳統(tǒng)的紅外體溫檢測技術(shù)已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)有的情況，存在漏檢、測溫精度不夠高的問題。因此本文基于現(xiàn)階段的紅外科學(xué)技術(shù)背景及發(fā)展趨勢下，對其應(yīng)用遠離及其在體溫識別方面的具體化應(yīng)用進行相關(guān)的探討研究工作，力求能夠在紅外技術(shù)用于體溫識別的技術(shù)研究方面貢獻一份綿薄之力。

1 紅外技術(shù)原理概述

國際標準化組織（ISO）將紅外技術(shù)定義為使用非接觸式紅外設(shè)備來收集和分析熱信息的技術(shù)。紅外是自然界中最常見的電磁波形之一。這是肉眼無法看到的能量。正常環(huán)境中的每個物體都會使其分子和原子不規(guī)則地移動，并不斷發(fā)出紅外熱。這種紅外能量的類型是輻射熱，其大小主要取決于物體的溫度和材料的類型。

太陽發(fā)出的光波又叫電磁波?？梢姽馐侨搜勰軌蚩吹靡姷碾姶挪ǎ瑢嶋H將光分解后，可以看到紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種色光。紅外線是這些電磁波的一部分，它的波長小于無線電波，大于可見光，加上紫外線、X 射線、y 射線，組成了完整的電磁波譜。紅外線波段范圍如圖1。

按照波長，紅外波段通常分為近紅外（0.76μm～3μm）、中紅外（3μm～6μm）和遠紅外（6μm～15μm）[1]。自然界任何物體在絕對零度（-273℃）以上都有紅外光發(fā)射，利用這個原理，人們發(fā)明了被動紅外攝像技術(shù)。

被動紅外攝像機技術(shù)主要檢測目標物體的紅外輻射，并使用光電轉(zhuǎn)換和信號處理將物體的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換為視頻圖像。由于其往往僅記錄物體的溫度分布，因此無法清楚地區(qū)分物體的細節(jié)。目前，它主要用于目標特征分析，導(dǎo)熱系數(shù)研究和地表/海洋熱分布研究領(lǐng)域。

主動紅外攝像機技術(shù)使用特殊的“紅外光”產(chǎn)生紅外輻射，并發(fā)射紅外光以照射物體，并使用視覺元素（CCD 或CMOS）感知環(huán)境反射的紅外光。紅外監(jiān)控攝像機使用紅外探頭和光學(xué)像鏡接收目標的紅外輻射能量，以進一步放大紅外探頭的光敏元件并將其轉(zhuǎn)換為電信號。為了獲得紅外圖像，圖像的熱分布場對應(yīng)于物體的表面。通常，熱成像儀是不可見和可見的紅外能量轉(zhuǎn)換對象。熱圖像中的不同顏色表示要測量的對象的不同溫度。紅外監(jiān)控攝像機的結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖1：紅外線波段范圍

圖2：紅外監(jiān)控攝像機工作流程

圖3：紅外監(jiān)控攝像機原理圖

在自然界中，當(dāng)溫度超過絕對零度（-273 ℃）時，根據(jù)Boltzmann 定律物體表面輻射單元的熱輻射能量與單位絕對溫度的四倍成正比。公式：

在公式中：M 是輻射單元的熱輻射能量；ε 為輻射單元的表面發(fā)射率；δ 為Stephen Boltzmann 常數(shù)5.67×10-8(Wm-2K-4)（2018年數(shù)據(jù)）是輻射單元T 的表面溫度[2]。

由于物體表面上存在輻射熱能場。物體的表面溫度越高，顏色越深；而如果物體表現(xiàn)顏色越暗，物體表面的溫度往往就會越低。紅外設(shè)備通過特殊的光學(xué)透鏡吸收信息。探測器將強紅外信號和弱紅外信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后會其進行增大和視頻化處理操作，以創(chuàng)建可被人眼觀察并顯示在屏幕上的圖像。使用電視成像系統(tǒng)，將反映目標紅外輻射分布的電子視頻信號在電視，從而實現(xiàn)電元素到光元素的轉(zhuǎn)換流程。圖3 顯示了紅外監(jiān)控攝像機的工作原理。

2 紅外監(jiān)控攝像機分類

2.1 LED陣列式紅外監(jiān)控攝像機

陣列式紅外燈的核心是發(fā)光二極管陣列（LED 陣列）。與傳統(tǒng)的LED 燈相比，該陣列紅外燈亮度高、光電轉(zhuǎn)換效率高、體積小、壽命長。陣列式紅外燈類的攝像機產(chǎn)品有一個明顯的不足，即“偏心現(xiàn)象”[3]。由于光束角可以達到120 到180 度，因此必須使用鏡頭來調(diào)節(jié)到相機鏡頭的光透射角度，這樣就會導(dǎo)致部分光源偏離了透鏡中心點，從而造成光傳輸不完整的情況出現(xiàn)。

2.2 鹵素?zé)艏t外監(jiān)控攝像機

鹵素?zé)舻墓廨敵霎?dāng)然非常高，能量消耗和熱量產(chǎn)生相對較大并且成本相對較高。它較為顯著的缺點是體積大、散熱不徹底、使用壽命很短（通常在1000 小時內(nèi)發(fā)紅）。而且紅暴現(xiàn)象特別嚴重，因此不適合民用夜視監(jiān)控方面。由于鹵素紅外監(jiān)控攝像頭和濾光片的高性能，它們可以將熱量轉(zhuǎn)換成熱量，因此其存在采暖問題特別嚴重，維護成本高，使用壽命短等問題。

2.3 點陣式紅外監(jiān)控攝像機

其往往使用紅外點矩陣光源。在第二代紅外燈——陣列式紅外燈的基礎(chǔ)上開發(fā)了用于點矩陣紅外燈的第三代紅外發(fā)光元件。與第二代相比，第三代LED 陣列的優(yōu)點是體積小、散熱好、能耗低、壽命長等優(yōu)勢特征。

2.4 激光紅外監(jiān)控攝像機

紅外激光監(jiān)控攝像機的有效照射范圍一般為300 至5000 米。由于其能量集中，因此不適用于小角度和長距離的情況。且目前成本仍然很高，因此還不能夠完全范圍化的使用。它更適合于監(jiān)視消防、油田、鐵路、水設(shè)備保護、景觀保護、軍事、水產(chǎn)養(yǎng)殖、港口和安全市場等相關(guān)領(lǐng)域。因此紅外監(jiān)控攝像機必須基于特定的使用環(huán)境進行紅外攝像機類型的選擇。

3 紅外監(jiān)控攝像技術(shù)的優(yōu)缺點

3.1 紅外監(jiān)控攝像技術(shù)的優(yōu)點

相比較于傳統(tǒng)的可見光監(jiān)控技術(shù)，紅外攝像機的監(jiān)視技術(shù)具有三個主要的功能優(yōu)勢，即：第一是可以將人眼的所能夠觀察到的區(qū)域擴大到紅外光譜范圍；第二是對系統(tǒng)的運行靈敏度進行顯著的提高；第三是獲得客觀世界與熱運動相關(guān)的信息。此外，紅外監(jiān)控攝像技術(shù)還具備以下優(yōu)點：

3.1.1 排查方面

屬于快速、大面積排查，紅外監(jiān)控攝像機使用非接觸成像測溫手段，圖像響應(yīng)速度為0.04ms，測溫響應(yīng)速度快，可在1S 內(nèi)排查視場內(nèi)人群中一個或多個高溫個體。應(yīng)用紅外監(jiān)控攝像技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對遠距離熱目標的精準跟蹤，并且可同時對多個目標進行跟蹤，實現(xiàn)跟蹤效率的提升。

3.1.2 距離方面

紅外監(jiān)控攝像機使用了一種被動、無故障的遠程溫度測量方式，并且被檢查者無需停止、站立或執(zhí)行操作等動作即可完成體溫識別的流程。同時，測試工作人員可以不近距離接觸人群，從而可以有效避免交叉感染。

3.1.3 判斷方面

紅外監(jiān)控攝像機可以搜索被識別人員的體表溫度，并通過其自身的相關(guān)軟件功能來計算、識別目標體溫，從而使工作人員能夠更為便利的進行溫度測試的工作。

3.2 紅外監(jiān)控攝像技術(shù)的缺點

紅外監(jiān)控攝像機的顏色在白天的光照（曝光）以及一些其它因素的影響下或多或少都會存在使其圖像出現(xiàn)一些偏色的現(xiàn)象。最直接的原因是攝相機濾光片出現(xiàn)問題。通常，一般紅外一體攝像機使用能透過一定比例紅外光線的雙峰濾光片，其同時還存在成本低的優(yōu)勢點，但由于自然光在進入CCD 時會包含更多的紅外成分，因此會導(dǎo)致一定程度上干擾到攝像機色彩的還原功能，例如樹木的綠顏色變灰白甚至是黑等色彩（外部環(huán)境中有一定強度的陽光時更為明顯）。此時，我們可以通過使用IRCUT 雙過濾器可有效解決此問題。IRCUT 雙濾光片包括紅外截止濾光片和全光譜分光光學(xué)玻璃組成。如果日光充足，則紅外截止濾鏡將啟動進行工作，并且使得CCD 能動性的恢復(fù)物體原來色彩；當(dāng)夜晚光纖不充足的時候，紅外截止濾鏡會自動移開，整個分光鏡的開始工作，因此使得CCD 可以利用所有光，從而顯著提高紅外圖像顯示性能。

4 使用紅外技術(shù)應(yīng)該注意的問題

選擇紅外燈時最重要的問題是紅外燈以及攝像機、鏡頭、電源等相關(guān)特性。正確的方法應(yīng)該是充分地、準確地考慮設(shè)計計劃中的所有設(shè)備，并將其視為低紅外夜視監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)要求進行相關(guān)設(shè)計，而不是要在所有紅外攝像機的部件都已經(jīng)安裝好的情況下再來重新考慮紅外燈。

4.1 首先使用紅外線感應(yīng)相機

實際上，CCD 是一種通用光譜設(shè)備，其往往可以感應(yīng)到所有光的存在，但是紅外光會在彩色CCD 上產(chǎn)生“色帶”等色彩偏差的影響[4]。因此，現(xiàn)階段市面中，的常規(guī)的彩色照攝像機都增加了對紅外不敏感的濾光器以消除紅外光得相關(guān)裝置。當(dāng)前市場上有兩種用于彩色紅外攝像機的方法，其分別為：使用雙峰單濾光片和白天夜晚切換不同濾光片的方法，采用雙峰單濾光片是在濾光片上鍍顆同時透過可見光和紅外光的鍍膜。此類方式的缺點是可以透射紅外光，這會導(dǎo)致在白天時圖像的顏色發(fā)生變化（偏色情況居多）；電子閥改變不同的濾光片的方法。在處于白天的情況下可以選著使用對紅外線不敏感的濾光器，并且到了晚上時可以通過切換濾光器開關(guān)使得使紅外光能夠在夜間通過，以檢測由紅外光發(fā)出的紅外光以進行攝影、成像。

4.2 鏡頭選擇

首先，我們必須注意CCD 或CMOS 攝相機的尺寸。目前，相機感光芯片的主要尺寸為1/2、1/3 和1/4。因此，匹配不合適或出現(xiàn)暗角或鏡頭角度浪費等現(xiàn)象。一般情況下，使用紅外攝像機，則必須使其帶有IR 功能的紅外鏡頭。沒有IR 功能的常規(guī)鏡頭往往會導(dǎo)致白天和晚上的聚焦偏差，從而出現(xiàn)白天圖像顯示清晰而到了晚上圖像顯示模糊的情況出現(xiàn)。此外，我們還應(yīng)該調(diào)整所選紅外光的發(fā)射角度，使其與燈光的發(fā)射角度相匹配。如果鏡頭角度大于紅外等角度，則有可能會出現(xiàn)“手電筒”的不良現(xiàn)象——中間較亮，而周圍較暗。如果鏡頭的角度小于紅外光的角度，則會浪費導(dǎo)致一些紅外光沒有作用的位置，白白浪費了；其次，還應(yīng)該注意鏡頭的光圈值。進入鏡頭的光量雖然后可能具有相同的焦距，但是其中的鏡頭進入的光量還是有較大區(qū)別的，比如說F1.2 和F3.0 中，進入鏡頭的光量就能夠達到6 倍的相差態(tài)勢。

4.3 選擇電源

選擇電源時，我們應(yīng)該更多地需要考慮電源輸出功耗的冗余程度。通常，電源設(shè)備的功耗必須超過系統(tǒng)功耗的20%。如果我們所選擇的電源輸出功耗與系統(tǒng)總功耗完全相同或略大于總功耗，則基本電源會因為已被充分利用而導(dǎo)致電源溫度很高，同時可能會造成電源的負載能力下降。選擇電源時，還必須考慮到相機布線線路上的功率損耗和壓降功率。如果布線距離太大，可以適當(dāng)增加相應(yīng)的電源電壓，以滿足遠程攝像機和紅外光場的電源電壓要求。最常見的問題是低壓紅外光無法在標準電流下工作，從而導(dǎo)致紅外光場的輻射距離大大減小。

5 智能紅外監(jiān)控攝像機在體溫識別中的應(yīng)用

5.1 災(zāi)害防治方面

（1）災(zāi)難發(fā)生后，政府必須進行及時的損失評估，以了解有多少人受到影響以及可能造成混亂的情況出現(xiàn)[5]。無人機上的紅外監(jiān)控攝像頭是一種強大而及時的輔助工具，可以將許多“電子眼睛”帶上空中，實現(xiàn)范圍性的監(jiān)控功能。無人機配備了合適的紅外視頻屏幕以及紅外攝像頭，從而可以根據(jù)災(zāi)害發(fā)生后的幸存者們的體溫識別功能，高效地開展以及執(zhí)行相關(guān)的搜索和救援任務(wù)。攜帶紅外攝像頭的無人機可以在廣闊的區(qū)域上空飛行，并使用其溫度檢測功能以精確的搜索模式發(fā)現(xiàn)并救援幸存者。

（2）智能紅外監(jiān)控攝像機還可以幫助警察和消防隊等急救人員找到臨時的群眾安置區(qū)區(qū)域，精確找到幸存者，甚至深度化的聽到他們的聲音或找出他們的受困位置。即使街道上充滿了難以逾越的阻礙物，無人機和紅外監(jiān)控攝像機也可以利用其自身控制優(yōu)勢為救援指導(dǎo)者提供重要的及時數(shù)據(jù)，指導(dǎo)者就可以基于體溫檢測原理使智能紅外監(jiān)控攝像及可以立即啟動，從而使無數(shù)人民群眾再次安全歸來。

5.2 醫(yī)療應(yīng)用方面

5.2.1 助力疫情防控實時監(jiān)測

傳染病的發(fā)生往往與人體溫度的升高呈現(xiàn)相關(guān)的密切聯(lián)系。紅外監(jiān)控攝像技術(shù)主要利用人體發(fā)出的紅外熱輻射來測量人的體溫。通過這一體溫識別保障流程，來發(fā)現(xiàn)疑似患者，從而基于實際情況采取必要性的、適當(dāng)性的相關(guān)保障措施，以防止大規(guī)模流行病的蔓延。同時，紅外智能監(jiān)控攝像設(shè)備還能夠在疫情防控方面進行大范圍化、深入化的實際體溫識別應(yīng)用功能。具體變現(xiàn)在，其可以實時化、快速化、遠程化、準確化、地測量多個人體體溫的指向目標。

5.2.2 保障公共區(qū)域環(huán)境安全

火車站、機場常見的“體溫識別機器人”上的紅外監(jiān)控攝像機就是保障公共區(qū)域環(huán)境安全的有力助手。其可以全天24 小時在地面、建筑物或水中檢測熱源。紅外攝像頭將彩色編碼的圖像實時傳輸?shù)焦P記本電腦、手機、平板電腦或大屏幕顯示器上。根據(jù)用戶選擇的設(shè)置，可以使熱源以鮮紅色、白色或其他顏色標記出來。與小黑昨天介紹的人體紅外測溫儀類似，遇到異常溫度人員，體溫識別“機器人”還能實時報警，提醒后方人員及時反應(yīng)。此外，它還能解決重點檢測成員體溫檢測難題。非常時期，不少居民對工作人員上門測溫很是抵觸。而紅外監(jiān)控攝像機恰好可以避開這一難題，通過遠程測溫，不直接接觸，既完成體溫檢測任務(wù)，也減少了交叉感染風(fēng)險，堪稱守護人民健康的“陸地衛(wèi)士”。

5.3 軍事防衛(wèi)領(lǐng)域的應(yīng)用

5.3.1 國土防御、邊境線監(jiān)察偷渡人員應(yīng)用

隨著，美國持續(xù)增加它的邊境通道、機場及其他進入通道，生物與邊界巡天照相機會扮演一個重要的角色。指紋與其他直接接觸手段會成為人員識別的最終手段?，F(xiàn)在指紋識別的有效性限制于數(shù)據(jù)庫，在于采集指紋庫。結(jié)果，大多數(shù)身份認證由報關(guān)員進行面部識別和照片比對，紅外監(jiān)控攝像設(shè)備可以在此輔助。由于全球的反恐戰(zhàn)爭越來越成為美軍的焦點，隨之而來的是情報收集工作越來越重要。然而過去偵查實際上更多的在戰(zhàn)略層次，而現(xiàn)在則是在戰(zhàn)術(shù)層次，這需要更高的時間和性能要求，比如識別出一個感興趣區(qū)域內(nèi)的一個人，紅外監(jiān)控設(shè)備的特殊性能讓其監(jiān)控系統(tǒng)成為在海陸空領(lǐng)域的“新一代”助力工具[6]。

5.3.2 透過霧霾、塵、煙海上偵察應(yīng)用

紅外監(jiān)控系統(tǒng)還有一項優(yōu)點是，它所成的像與人眼所看到的非常類似。這一點，增強了識別能力，減少了潛在的友軍誤傷。另外一點，裝有近紅外導(dǎo)航燈的運輸車輛，可以讓其他運輸車輛容易跟隨。現(xiàn)代潛艇的光電桅桿需要多光譜的成像與檢測。而一項非常重要還未使用的是在近紅外光譜段的成像。例如，可見光成像通常無法透過霧霾、塵、煙觀察，然而近紅外卻很容易成像。這種情況下，紅外監(jiān)控攝相機有著更好的成像；紅外監(jiān)控攝相機利于火箭的跟蹤成像等軍事防衛(wèi)領(lǐng)域的應(yīng)用方式。

6 結(jié)論

綜上所述，紅外監(jiān)控攝像機性能強悍，它可以被廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域之中，它的功能具有巨大的市場發(fā)展空間，能夠為相關(guān)開發(fā)者帶來不菲的收益。紅外監(jiān)控攝像機在各個領(lǐng)域都被廣泛的應(yīng)用，如醫(yī)療、軍事以及公共安全上，都被廣泛的應(yīng)用，對紅外技術(shù)的體溫識別進行研究，能夠大幅度的提高視頻監(jiān)控系統(tǒng)的智能化體溫識別，從而一定程度上擴寬傳統(tǒng)視頻監(jiān)控的行業(yè)智能化應(yīng)用方向，從而構(gòu)建更加全面的智能化監(jiān)控系統(tǒng)。