红外热成像技术在安防监控领域中的应用...

红外热成像技术在安防监控领域中的应用前言随着光电信息、微电子、网络通信、数字视频、多媒体技术及传感技术的发展，安防监控技术已由传统的模拟走向高度集成的数字化、智能化、网络化。由于数字信号具有抗干扰能力强、失真小、传输不受距离限制、存储查询便捷等优点。因此，各种数字视频技术得到了迅速的发展，传统的安全防范系统已逐步向以图像处理为核心的融合了网络、传感、通信技术的数字视频监控系统过渡。图像的数字化首先是将系统中所有信息流（包括视频、音频、探测器、控制等）由模拟信号转化为数字信号，数字化从根本上解决了数据压缩的问题，从而使安全防范设备能够与网络结合起来，可以利用各种网络来传输信息，打破了传统的模拟监控受区域和距离的限制。数字视频监控系统通过开放的协议，可以将视频监控系统与安防系统中其它各子系统实现无缝连接，并在统一的操作管理平台上集中监视、存储、控制和管理，实现信息资源和软硬件资源的共享。随着现代高新技术在安防行业的不断应用，数字视频技术的日趋成熟，互联网宽带技术的发展，视频监控系统将朝着前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化、传感设备智能化等方向发展。当前，现代高新技术几乎在安防监控系统中都有应用或即将应用。下面简要地介绍一下现代传感技术中发展迅速的红外热成像技术、数字化与网络化录像及远程监控技术在安全防范系统中的应用。红外热成像技术红外热成像我们人眼能够感受到的可见光波长为：0.38—0.78微米。通常我们将比0.78微米长的电磁波，称为红外线。自然界中，一切物体都会辐射红外线，因此利用探测器测定目标本身和背景之间的红外线差，可以得到不同的红外图像，称为热图像。同一目标的热图像和可见光图像是不同的，它不是人眼所能看到的可见光图像，而是目标表面温度分布图像，或者说，红外热图像是人眼不能直接看到目标的表面温度分布，变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。红外热成像的特点自然界所有温度在绝对零度（-273℃）以上的物体，都会不发出红外线，红外线（或称热辐射）是自然界中存在最为广泛的辐射。大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3～5微米和8～14微米的红外线却是透明的。因此，这两个波段被称为红外线的“大气窗口”。我们利用这两个窗口，可以在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的恶劣环境，能够清晰地观察到前方的情况。正是由于这个特点，红外热成像技术可用在安全防范的夜间监视和森林防火监控系统中。红外热成像仪采用红外热成像技术，探测目标物体的红外辐射，并通过光电转换、信号处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备，我们称为红外热成像仪。红外热成像仪可分为致冷型和非致冷型两大类。致冷型的热灵敏度高，结构复杂，一般用于军事用途，而非致冷型灵敏度虽低于致冷型，但其性能已可以满足多数军事用途和几乎所有的民用领域。由于不需要配备制冷装置，因此非制冷红外热成像仪可靠性及性价比较致冷型的高。红外热成像仪在安防的作用1、夜间及恶劣气候条件下目标的监控夜晚，由于众所周知的原因，可见光器材已经不能正常工作，如果采用人工照明的手段，则容易暴露目标。若采用微光夜视设备，它同样也工作在可见光波段，依然需要外界光照明。而红外热成像仪是被动接受目标自身的红外热辐射，无论白天黑夜均可以正常工作，并且也不会暴露自己。同样在雨、雾等恶劣的气候条件下，由于可见光的波长短，克服障碍的能力差，因而观测效果差，但红外线的波长较长，特别是工作在8～14um的热成像仪，穿透雨、雾的能力较高，因此仍可以正常观测目标。因此在夜间以及恶劣气候条件，采用红外热成像监控设备可以对各种目标，如人员、车辆等进行监控。2、防火监控树林中人的热图像右小图为可见光图象大图为热图象由于红外热成像仪是反映物体表面温度而成像的设备，因此除了夜间可以作为现场监控使用外，还可以作为有效防火报警设备，在大面积的森林中，火灾往往是由不明显的隐火引发的。这是毁灭性火灾的根源，用现有的普通方法，很难发现这种隐性火灾苗头。而应用红外热成像仪可以快速有效地发现这些隐火，并且可以准确判定火灾的地点和范围，透过烟雾发现着火点，做到早知道早预防，早扑灭。3、伪装及隐蔽目标的识别普通的伪装是以防可见光观测为主。一般犯罪分子作案通常隐蔽在草丛及树林中，由于野外环境的恶劣及人的视觉错觉，容易产生错误判断。红外热成像装置是被动接受目标自身的热辐射，人体和车辆的温度及红外辐射一般都远大于草木的温度及红外辐射，因此不易伪装，也不容易产生错误判断。数字化与网络化录像及远程监控技术模拟视频设备发展至今，已无法满足人们的更高要求，数字化是必由之路。数字信号是进行压缩处理和其它图像处理的前提。数字视频监控系统采用数字处理、编解码和网络技术，能较好地克服模拟系统的局限性，其优点表现为：首先，数字化视频可在网络中传输视、音频及控制数据，不受距离限制，信号不易受干扰，可以大幅提高图像品质和稳定性。其次，利用计算机网络联网，网络带宽可复用，无须重复布线。再次，数字化存储成为可能，经过压缩的视频数据可存储在磁盘阵列中或保存在光盘中，查询方便快捷。数字视频监控的两大关键技术一是视频数据的压缩和解压缩，视频图像的信息量是巨大的。例如，1幅640*480中分辨度的彩色图像（24bit／像素），其数据量大约为0.9MB，如果以PAL制每秒25帧的速度播放，则数据量之大，是存储、传输都无法承受的，显然，视频数据压缩技术是数字化的关键。一般的压缩方式主要是通过减少每帧图像间时间上和空间上的冗余性和相关性信息来减少数据量。目前，常用的压缩标准有H.263、H.264、MPEG—1、MPEG—2、MPEG—4、JPEG、小波等。二是视频数据的实时同步传输技术。数字视频监控系统中的视频数据属于实时数据必须实时处理，例如，实时压缩、解压缩、传输、同步。另外，声音与视频也必须保持同步。作为视频传输这样的特例，对时间十分敏感，因此必须确保数据的实时性和同步性。网络型嵌入式硬盘录像机网络型嵌入式硬盘录像机是集数字化与网络化录像及远程监控技术于一体的数字视频监控设备，它集成了矩阵、画面分割器、录像机、远程控制等诸多功能，首次将网络技术引入安防监控行业。而嵌入式硬盘录像机是指建立在嵌入式处理器和嵌入式操作系统上，面向特定的用户群所设计开发的安防监控产品，具有稳定、高效等特点。网络型硬盘录像机的功能主要为：视音频信号的实时全硬件同步压缩、压缩数据流存储在硬盘上、实时视频和声音预览、视音频信号的切换、摄像机和云台控制、本地录像文件回放、实时网络传输、远程文件回放和下载、支持流协议（RTP/RTCP、RTSP）支持IE浏览和双向语音对讲等。应用案例这里我们举两个应用上面两项新技术的成功案例。案例中的数字视频监控系统采用的是浙江大立科技的DM-60数字视频监控系统，DM-60数字视频监控系统是融合了红外热成像、数字化与网络化录像及远程监控技术的监控平台，该系统集视频采集、压缩、远程传输、视频播放与检索和报警等功能于一体的数字视频监控系统。由大立科技自主研发的红外热成像仪、网络型嵌入式硬盘录像机、网络传输设备、后端管理存储设备等部分组成。它可以利用可见光和红外两种技术实现全天时、全天候监控，通过多种传输手段，实现监视监控，使后端监控中心能够直观、实时地掌控现场情况，即使在夜间、雾天、烟雾、树林等条件，也可以清晰地显示任何现场情况，并可在监控中心操纵前方设备，进行重点监控。目前，该系统已广泛用于国防、公安、消防、森林防火、交通管理、重点设施保卫、海边防监控、港务监管、机场监管、堆场仓库火灾预警等领域的全天时、全天候监控。案例一：某市森林防火监控系统随着森林保护和林业建设的不断发展，林地面积、林业蓄积量逐年增加，防火任务日益艰巨。森林火灾是林业重要灾害之一。森林火灾具有突发性、灾害发生的随机性、短时间内能造成巨大损失的特点。因此一旦有火警发生，必须以极快的速度采取扑救措施，扑救是否及时，决策是否得当，大都取决于对林火行为的发现是否及时，分析是否准确合理，决策措施是否得当。为此无论国内、国外都在预防、减少和控制森林火灾方面做了大量的工作。为了贯彻“预防为主，积极扑救的方针”，真正做到早发现，早解决。采用先进技术，用高科技手段来加强森林防火工作，在最短的时间内作出决策和调度，从而为森林灭火赢得宝贵时间，最大限度地减少损失是森林防火管理发展的必然趋势。当火灾发生后，尤其是森林火灾的情况下，火焰产生的烟雾很大，往往遮盖了真正的着火点，以及火灾的蔓延趋势。红外热像仪有很强的穿透烟雾的能力，可有效地发现真正的着火点，以及火灾的蔓延趋势，因此，可用于指挥救火，尽量减少经济、人员的损失。而森林火灾在地面火被扑灭的情况下，在地下往往还存在地下火的情况，因此，经常会出现死灰复燃的情况。红外热像仪可通过监控火灾后森林地表的温度，及时发现地表温度的异常，确定地下火可能存在的地点。系统设计由两部分构成：监控前端（监控点）和监控中心。系统设5个防火监控前端（监控点）。在各监控点制高点架设红外热成像仪及低照度长焦距可见光摄像头各一台，覆盖半径为1-5km，采用市电及太阳能给前端设备供电，配备室外全天候云台及红外热成像仪专用防护罩，红外热成像仪及可见光摄像头共用一个云台。监控前端的任务就是负责各个林区视频信号采集和控制实现，包含的其它设备还有：无线图像发送设备、无线指令接收设备，数字光端机、太阳能供电设备；避雷设备等。监控中心由监控工作站、矩阵控制主机、电视墙、硬盘录像机等设备组成，监控工作站的图像数据接入分局网络，系统采用TCP/IP协议，网内经授权的任何一台计算机均能监控各监控点的信息，系统采用模块化结构，具有良好的可扩充性，可随时增加撤减监控点。监控中心主要的功能就是：预警、显示、控制、录像和视频数字化、网络化。系统结构图案例二：某边防部队监控系统我国有上万公里的海岸线和边境线，与多个国家毗邻。准确及时地掌握边海防区域的军主控计算机矩阵切换器网上计算机微波天线微波发射机红外、可见光摄像头太阳能设备防雷设备红外、可见光摄像头光端机红外、可见光摄像头光端机红外、可见光摄像头光端机红外、可见光摄像头微波天线微波发射机太阳能设备防雷设备光端机光端机光端机微波接收机北高峰美女峰玉皇山玉皇山吴山南高峰光缆光缆光缆硬盘录像机电视墙事情况，对于有效保卫祖国的领海和领土，在未来战争中作出快速反应、掌握战争主动权有着极其重要的意义。建立边海防远程视频监控系统，对关键口岸、哨所和敏感地区实施监控，就能使我军情报部门直观、及时地监视边海防前线的当面情况，提高情报获取的实时性和综合处理能力，也能有效防止偷渡、出逃、走私、贩毒等非法行为。采用先进技术，用高科技手段来加强边境、口岸监控，将人防和技防相结合，增加边境监控体系的科技含量，最大限度地减少突发事件的发生是边防视频监控系统发展的必然趋势。由于一般的伪装是以防可见光观测为主。犯罪分子作案通常隐蔽在草丛及树林中，野外环境的恶劣及人的视觉错觉，容易产生漏判、误判的现像。DM-60数字视频监控系统中的红外热成像仪是被动接受目标自身的热辐射，人体和车辆的温度及红外辐射一般都远大于草木的温度及红外辐射，不易伪装，也不容易产生错误判断。红外热成像系统能从杂乱的背景和树丛之中识别目标，并且还能透过灰尘、云层、烟、烟雾、薄雾、小雨看清目标，提供详细的环境信息。其监视的效率高于原来人工的巡查监视方式，可大大减少了以往人工巡查监视方式造成的漏查、误查和失查的现象。系统设计由两部分构成：监控前端（监控点）和监控中心。监控前端（监控点）设在边防哨所，在边防哨所的哨塔上架设红外热成像仪及低照度长焦距可见光摄像头各一台，覆盖半径为根据监控区域而定，一般在1-5km，采用市电及太阳能给前端设备供电，配备室外全天候云台及红外热成像仪专用防护罩，红外热成像仪及可见光摄像头共用一个云台。监控前端的任务就是负责所辖区域视频信号采集、存储及控制的实现，包含设备还有：嵌入式硬盘录像机、数字光端机、太阳能供电设备；避雷设备等。监控中心由监控工作站、矩阵控制主机、电视墙、网络交换机等设备组成，监控工作站的图像数据