熱成像攝像機是利用目標與周圍環境之間溫度的差異所產生的熱對比度進行成像。因其*的功能,正廣泛應用到安防領域,成為安全監控系統中的新星。
第六感官:紅外熱成像技術
一位美國紅外學者認為:“人類的發展可分為三個階段。*個階段是人類通過制造工具,擴展體力活動的能力,第二階段通過提高判斷能力,尋求更清晰和更廣泛的理解與判斷事物的標準,而人類近年來致力的增強獲得輸入信息的能力,擴大感覺范圍或增添新的感官,使我們的大腦能接受更多的信息,正是人類發展的第三階段。在這個階段中,紅外技術的發展已經把人類的感官由五種增加到六種。”
光是一種電磁波,人眼見到的只是其中一部分,也就是可見光。可見光的波長為:0.38~0.78微米。比0.38微米短的電磁波和比0.78微米長的電磁波,人眼都無法感受。比0.38微米短的電磁波位于可見光光譜紫色以外,稱為紫外線;比0.78微米長的電磁波位于可見光光譜紅色以外,稱為紅外線。其中波長為0.78~2.0微米的部分稱為近紅外,波長為 2.0~1000微米的部分稱為熱紅外線。
人眼要能看見東西必須有可見光。而物體只有溫度達到1000℃以上才能發出可見光。但所有溫度在零度(-273℃)以上的物體,都會不停地發出熱紅外線。任何物體在常規環境下都會產生自身的分子和原子無規則的運動,并不停地輻射出熱紅外能量,分子和原子的運動愈劇烈,輻射的能量愈大,反之則愈小。由于目標各部分與環境之間熱對比度不同,而把紅外輻射能量密度分布圖顯示出來,就能成為熱像。
雖然1800年就由英國物理學家F·W·赫胥黎發現了紅外線,但直到二戰中,德國人研制出了主動式夜視儀和紅外通信設備,才真正開始了紅外技術的發展。
1964年,美國德克薩斯儀器公司研制成功*代熱紅外成像裝置,它通過對目標的熱輻射進行圖像分解掃描,然后應用光電探測器進行光——電轉換,一一對應地模擬掃描物體表面溫度的空間分布,從而形成視頻圖像信號,得到與物體表面熱分布相應的熱像圖,并在熒屏上顯示。這種攝像機生成的圖像類似于印象派的畫,暖色調的人體在大量的黑色、紅色和藍色塊中移動。
二十世紀六十年代,出現了具有溫度測量功能的熱紅外成像裝置,通常稱為熱像儀。九十年代致冷型和非致冷型的焦平面紅外熱成像產品的出現,把紅外熱成像的應用提高到一個新的階段。
由于熱像儀的性能現已達到等效噪聲溫差為0.1K,空間分辨率0.1~0.4毫弧度。熱成像攝像機一般可在1公里以內識別人,2公里以內識別車輛,15~20公里以內跟蹤飛機。還能發現和識別經過一般偽裝的目標,隱蔽地實施晝夜觀察,具有較高的抗*力。在軍事上,紅外熱成像技術的戰略應用包括對洲際彈道導彈的探測、識別、跟蹤;導彈的制導,空對地遙感、監視,大氣層內外核爆炸的探測等。
走向安防領域的熱成像攝像機
據統計,世界上47%的暴力*案件發生在晚6點到早6點之間。原因很簡單,在夜幕的籠罩下,*分子容易隱蔽,*場面也不容易被看見——黑暗掩蓋了*行為。即使安裝了一般的視頻監控系統,也有可能讓*分子逃之夭夭。而如果有了夜視裝置,執法人員可以很容易地發現并懲治企圖*的人。不管是可見光,不可見光,還是無線電波,基本上都是同一個事物:電磁波輻射。每種電磁波都有一個*的頻率,而且都在安防視頻圖像生成中發揮著重要的作用。根據不同的電磁波波長,目前在安防視頻監控領域有四種攝像機:
日/夜轉換攝像機。這種攝像機在光線好的情況下提供彩色圖像,而在惡劣的光照條件下則自動轉成黑白圖像。
微光增強型攝像機。在幾乎沒光線的條件下,通過激發電子運動和/或增強像素生成清晰的圖像。
紅外攝像機(IR)。這種攝像機通常應用位于可見光和微波之間的在不可見光的區域。
無線電波攝像機。這種攝像機在安防領域相當少見。在簡單的、沒有技術要求的領域,這種無線電波可以穿透堿質物體(如人體)好幾英寸的。即使人們把武器或爆炸物藏在衣服下面,這種電波也能探測并辨認出。
但是,這些類型的攝像機都需要一定的光或電磁輻射,來投射或反射形成圖像。如果在*沒有光的地方,這些攝像機就成瞎子了。
熱成像攝像機是安防領域*不需要反射光、紅外線或無線電波的攝像機。它們不需要遵循輻射能量的規律。那就是說,所有物體都產生、存儲、散發和吸收熱量。因此,給定一個溫度計,所有物體,不管是有生命的還是沒生命的都能測到溫度。而熱成像攝像機就能捕捉及其微小單位的溫度,然后把它生成圖像。
在2003年第三屆中國安防論壇組委會舉辦的技術論壇上,*自動化所陳龍研究員談到“安防系統的數字化、網絡化與智能化發展之道”時指出,智能化將顯著提高安防的品質和功能,而使用紅外的夜視系統與微光夜視儀及熱成像被動夜視系統可實現黑夜監視。但在沒有任何光亮的情況下,微光鏡則不能看到東西,而且,在明亮的環境中也不能用微光鏡觀察。而熱成像技術則使人的視力延伸到比過去更廣闊的空間。
在安防中,熱成像攝像機主要應用在重要地區的周界防范。在一些重要的行政中心、銀行的金庫、監獄等地,尤其需要全天候、高靈敏度的觀察系統。一般的監視系統,安裝時容易產生死角,不能實現全面控制監控面,而且容易受到干擾,比如小動物入侵等。而安裝紅外熱成像儀,不僅能通過探測微小的溫度差別發現目標,還可以對背景資料進行分析,從而減少誤報。
除此以外,對溫度的高度敏感也使熱成像技術與生物識別起來。人體面部識別技術的發展方向就是可以通過攝像機來搜索、捕捉活動著的人像,而不僅僅是識別靜止的照片。而熱成像技術就通過分析由面部的毛細血管的血液產生的來形成面部圖像,即使在黑暗的情況下也可使用,并能更好地排除胡須、頭發以及化妝引起的面部變化的干擾。
在美國,5年前,這些熱像儀產品還標著10,000美元的價格。隨著熱成像技術的成熟,各種低成本適于民用的熱像儀也逐漸問世,價格有所降低,笨重的大個頭也小巧了些。現在5,000美元就可以買到一個熱成像攝像機,并且只有大型那么大。可以很容易裝置在任何基于IP或類似技術的攝像機系統上。而且,熱成像攝像機輸出的視頻信號,還可以用數字存儲器存儲,或用錄像帶記錄,這樣既可長期保存又可用計算機作運算處理。
美國一家公司為了增強周界安全性,在對場地進行完整的技術考察后,他們發現,安裝5臺熱成像攝像機的費用比增加20個新路燈與柱子要便宜得多,而那些燈柱每套要15,000美元。但是,即使從10,000美元降到5,000美元,這也并不是一筆小數目。什么地方需要熱成像攝像機呢?美國IPC安防公司董事查理·皮爾斯認為,問題的關鍵在于“價值”這兩個字。如果你將一套設備的價格與發生事故后與zui壞的后果——債務、法律訴訟、人員傷亡等進行比較,再權衡一下目前所采用準解決方案所需的花費,你可以發現在很多方面應用熱成像攝像機都是可靠的,而且也是值得的。
但是,由于造價太高, 使得熱成像攝像機在推廣使用和廣泛裝備上受到限制。雖然熱成像技術正在走向民用,并且在樹林防火、消防、*、輪船、游艇、碼頭、機場、油田以及奧運安防中都得到了應用,但就目前來看,將熱成像技術應用到視頻監控中的安防企業還是不多,而且,還有很多人并不了解這個技術。市場是企業的指揮棒,市場需要什么樣的產品往往影響企業對技術的選擇。對于熱成像攝像機普及而言,制約因素主要有兩個,一是價格因素,二是實際應用中的一些技術問題。從研發到生產,從材料到設備,都需要很高的成本。而當前市面上的夜視儀器中,紅外夜視儀、微光夜視儀要比熱成像系統有著更大的需求。在需求不是很旺盛的情況下,投入生產有一定的風險。另外,即使在專業做攝像機的安防企業中,也有不少人沒聽說過或不太了解這一技術,而需要安裝視頻監控的部門或地區對此就更陌生了。由于人們對這項技術認識還不夠,在民用市場上似乎并沒有太大的需求。在某些時候,沒有購買力并不是說人們不需要,相反,這說明市場正在培育中,也意味著有無限的潛在市場。隨著紅外熱成像技術的廣泛應用必將促進技術自身的完善與發展,憑著熱像儀本身功能以及應用上的優勢,或許有天,熱成像攝像機將成為安防視頻夜間監控的主流。