基于红外线的图像监控系统分析

1. 引言

视觉是人类最重要的感觉器官，图像信息是人们由客观世界获得信息的主要来源，占人们依靠五官由外界获得的信息总量的80%.利用图像技术对重要对象进行监控，无疑是监控方式当中获得信息最多，也是最直观的一种方式。近些年来，随着都市商业化的进一步发展，宾馆、大型超市、股市交易所以及高层建筑等机构如雨后春笋般的出现在每个城市，虽然它们所进行的业务大不相同，但它们都无一例外的使用了图像监控系统。而目前的监控系统一般都是24小时连续工作，录像机记下的图像信息中有大量的冗余信息，本文提出一种热释电红外线感应器，并把它引入图像监控系统的摄像头通道中，利用它能以遥测的形式感应出移动人体发出的微量红外线的特点，使得图像监控系统在有人出现或走动时进行拍摄，从而有效地减少冗余信息，使得真正实用的信息以供系统管理员观察和处理。

2. 热释电红外线感应器

2.1红外线
红外线是一种电磁波,在电磁波谱中的位置是处于红外端,波长范围大致是0.76um—1000um。红外线与可见光、紫外线、Ｘ射线、γ射线及无线电波一起,构成了无限连续的电磁波。

理论分析和实验研究表明,不仅阳光中有红外线,而且任何物体,只要温度高于绝对零度,就在不停地辐射红外线。因此,红外线普遍存在于自然界中。我们人体也是一个红外辐射源，它与室内其它背景物体不但在红外辐射能量方面有所不同，而且各自辐射的红外线的峰值波长也不相同，人体辐射的红外峰值波长约在10um处。

2.2结构及其主要元件器
由外壳和菲涅耳透镜、PIR红外传感器、专用IC（WT8072）等电路组成热释电红外线感应器。

l 菲涅耳透镜
菲涅耳透镜是一种精密的光学器件，一般是由聚乙稀压注而成的薄片，薄片上刻有精密细致的纹理。目前，多采用性能优良的红外塑料透镜-----多层光束结构的菲涅耳透镜。三层结构的多视场菲涅耳透镜组的结构如图1所示

透镜由三层构成，它利用二十四个小透镜，将警戒区视场分割成二十四个小视场（又称敏感区），各个敏感区被盲区隔开。来自各个小视场的红外辐射均被会聚到位于透镜凹面下方处的红外传感器上。盲区的尺寸虽然比敏感区的尺寸要小得多，但当人体在防范区内移动，由盲区移向敏感区或由敏感区移向盲区时，人体所发出的红外辐射就一次又一次地被盲区所阻断，而只有通过敏感区的红外辐射才能被红外热电元件所接收。

l PIR红外传感器
PIR红外传感器（又称红外热释电传感器），这种材料具有热释电效应。所谓热释电效应是指该种材料中自发极化的强度随温度的变化而变化的效应。电介质在外加电场的作用下会产生电极化的现象，即会使电介质的一个表面带有正电荷，而另一个表面带有负电荷。对于热释电材料来说，在外加电压去掉后，仍可自行保持着这种电极化状态的现象就称为是“自发极化”现象。这种自发极化的强度与温度有关。温度升高，极化强度降低，即单位面积上的电荷减少。用热释电材料制成厚度极薄的片，并使之形成自发极化。当它受到红外辐射源的照射时，薄片的温度将升高，极化强度减弱，表面电荷将减少。通常将释放掉的这部分电荷就称为热释电电荷。由于热释电电荷的多少可以反映出材料温度的变化，所以由热释电电荷经电路所转变成的输出电压也同样可以反映材料温度的变化，从而探测出红外辐射能量的变化。

红外传感器的光学系统可以将来自多个方向的红外辐射能量经反射或特殊的透镜透射后全都集中在红外传器上。这样，红外探测器就可以探测到某一个立体防范空间内辐射的变化。当防范区域内没有移动的人体等目标时，由于所有的背景物体在室温下红外辐射的能量比较小，而且基本上是稳定的，所以不能触发摄像头，即摄像头不工作。当有人体在探测区域内走动时，就会造成红外热辐射能量的变化。红外传感器将接收到的活动人体与背景物体之间的红外热辐射能量的变化转换为相应的电信号，经适当的处理后，送至摄像头，进而拍摄图像。采用菲涅耳透镜组探测移动人体如图2所示。

PIR红外传感器的探测波长范围是8—14um，由于人体的红外辐射波长正好在此探测波长范围之内，因此能较好地探测到活动的人体。

2.3热释电红外线感应器的原理图
由外壳和菲涅耳透镜、PIR红外传感器、专用IC（WT8072）等电路组成热释电红外线感应器，已经做好PCB板并调试成功。原理图如下所示：

3.热释电红外线感应器在图像监控系统的应用

由图4中可以看出，监控系统是由多画面处理器、摄像头、监视器、延时录像机以及传感器等部分组成的。多个摄像头可以用于同时监看多个场所，操作员可以远程控制云台来调整每个摄像头的位置以对准所关心的目标。根据实际需要，可以为系统配备不同数目的监视器。例如普通的监控系统一般都配备两台监视器，主监视器主要用来显示多画面，另外一台则用来单独监看某一路图像或者各路的顺序切换图像。对于某些极其重要的监控点应该专门配备一台监视器。延时录像机是每个监控系统必不可少的重要部分，其功能是每隔一定的时间在磁带上记录一段各路的图像信号，它所录制的信息在很多时候能为案件的侦破提供重要的线索和证据。由于监控系统一般都是24小时连续工作的，录像机不可能记下每一时刻的图像信息，所以一般都会根据实际情况调整延时录像机的采样间隔时间。大多数监控系统都会配备报警传感器，这些传感器一般都安装在监控现场的某些敏感区域，如果现场出现例如火灾、特殊气味等情况，传感器就会立即给监控中心发出报警信号。以上几个部分都属于监控系统的外设，不同的系统会根据实际需要进行不同的配置，而多画面处理器却是所有监控系统的核心。它相当于整个系统的大脑，所有从外界进来的图像以及报警信息经过多画面处理器的加工后，才能变成有用的信息以供系统管理员观察和处理。

图像监控系统是用来把被监视场所的图像记录下来，为日后对某些事件的处理提供方便条件和重要依据。由于监控系统一般都是24小时连续工作的，如果画面没有任何变化，即没有目标对象的出现时，而摄像头却一直在工作并记录，这将产生大量的冗余信息，势必对存储器产生更大的要求。

本文提出一种热释电红外线感应器，并把它引入图像监控系统的摄像头通道中，利用它能以遥测的形式感应出移动人体发出的微量红外线的特点，使得图像监控系统在有人出现或走动时进行拍摄，从而有效地减少冗余信息，使得真正实用的信息以供系统管理员观察和处理。从而节省存储空间，节省电能、延长系统寿命、提高工作效率。