红外热成像技术在智慧社区中的应用

2021-06-11国家安全防范报警系统产品质量监督检验中心北京张济国刘琦井冰

中国安全防范技术与应用 2021年2期

■ 文/国家安全防范报警系统产品质量监督检验中心（北京）张济国刘琦井冰

关键字：智慧社区红外热成像测温

1 引言

智慧社区是将社区管理与新智能技术有效融合的一种新理念，是新时期新时代背景下的创新型社区管理模式。对目前社区中已经存在的各类服务资源进行全面整合，以提高办事效率，打造智能社区，改善人民生活和提升社区品质为目标，是互联网技术、传感技术、云计算技术、视频监控技术、AI人工智能技术等前沿技术应用在综合智能场景中的体现。

红外热成像技术最初是以军事用途而开展的研究项目，早期的红外热成像设备主要被军队使用，可用于导弹制导和夜间观测。从二十世纪六十年代开始，红外热成像技术逐渐开始走向民用市场。热成像技术发展至今经历了三个重要阶段：第一阶段的红外热成像设备称为红外前视系统，使用的探测器类型为单光子传感器，对目标热源进行热辐射扫描并采集，再进行信号转换和输出，此阶段的红外热成像设备不仅扫描周期长，采集数据少，而且体积巨大，便携性较差；第二阶段的红外热成像设备在对目标热源进行高速扫描并实时显示的基础上，增加了图像信息收集、处理和测温的功能，此阶段的热成像设备已经应用在工业生产中，但体积仍然较大；第三阶段即现阶段，红外热成像设备使用焦平面阵列探测器，体积大大缩小。目前的焦平面阵列探测器分为制冷型探测器和非制冷型探测器两种。制冷型探测器需要进行低温制冷，因此体积较大且价格较为昂贵，非制冷型探测器虽然在灵敏度、响应速度和图像清晰度等方面不及制冷型探测器，但价格低廉且体积较小，能够满足民用领域的使用需求。相比于相对成熟的可见光技术，红外热成像具有更高的普遍性（红外热辐射现象广泛存在）、更强的穿透性（红外热成像对大气、烟、云、雾等物质的穿透性强）、更好的稳定性（不受强光、炫光等因素的干扰）。目前，红外热成像已作为视频采集设备和热信号探测设备，广泛应用于军事、安防、消防、医疗、工业检测、电力系统检测和航空航天等多个领域。

2 红外热成像技术原理

红外热成像技术是一种热辐射信息探测技术，在自然界中，由于内部分子热运动现象，温度高于绝对零度（零下273摄氏度）以上的物体都在释放红外辐射。红外热成像设备是针对物体的热辐射现象，利用红外波段的光学探测器对被测目标的热辐射能量进行显示，并进行差异化区分显示，从而将设备使用者的可观测光谱范围从可见光波段拓展为可见光+红外波段。具体如图1所示。

图1 红外热成像原理示意图

3 智慧社区中的红外热成像应用

目前，红外热成像技术作为视频监控技术和信号探测技术已广泛应用于智慧社区的综合智能场景。相比于传统的可见光视频采集设备，红外热成像设备虽然无法针对色彩进行采集，但仍然具有相应的空间分辨能力。除此之外，红外热成像设备还具有温度分辨能力，可对监控画面中目标热源的大小、轮廓及温度分布情况进行显示。基于红外热成像的上述特性，在智慧社区中，红外热成像设备主要应用于消防、周界防范和防疫人体测温。

3.1 社区消防

在社区消防应用中，红外热成像设备主要用于火灾安全隐患较大的重点区域的视频监控，此类区域一般存在易燃物或易短路故障起火的设施，如电动车充电桩等。电动车充电桩起火原因一般有三类：第一类是线路老化引起短路、发热引起自燃；第二类是充电器不匹配容易导致过充或者欠充，过充会使电池发热，引起自燃；第三类是电池内部电路短路或接触头松动，发热引起自燃。当监控场景内出现温度异常的热源时，可主动给出报警提示。具体如图2所示。

图2 社区电动车充电桩位置监控效果图

消防中使用的设备通常为双光谱摄像机，内置热成像视频采集模块和可见光视频采集模块。红外热成像视频采集模块用于对温度信息和热度分布信息的采集和预警；可见光视频采集模块用于对场景中肉眼可见视频信息的采集，方便使用人员的查看及核对工作。

3.2 社区周界防范

在社区周界防范应用中，红外热成像设备主要用于重点区域内行人目标的检测，相比于传统周界防范设备，热成像设备的应用具有明显优势，具体如下：

1）全天候：逆光、无光、雪雾天等恶劣环境，对热成像设备影响很小；

2）远距离：若把1.5个像素记为探测所需像素的话，根据约翰逊法则，红外热成像的探测报警距离可达焦距的10倍（160×120分辨率的设备为焦距7倍）；

3）精度高：由于热成像设备是对与环境温度具有温度差的目标热源进行探测和成像显示，因此在环境温度与人体温度差异较大的情况下，对行人目标探测精度更高；

4）可视化：准确定位报警位置，做到事前预防；

5）报警准：GPU加速，深度学习算法，算法的准确率、适应性更强。

红外热成像摄像机与传统周界防范设备的比较参见表1。

表1 红外热成像摄像机与传统周界防范设备的比较

3.3 社区防疫人体测温筛查

自新冠疫情全球爆发以来，新冠病毒时刻威胁着人类社会的公共安全，并将与人类文明长期共存，世界各国都在积极研究基于红外热成像技术的非接触式人体测温筛查系统。人体测温筛查是防疫战斗中的第一道防线，也是作为人群密集社区快速筛查的最重要方法。如何有效开展体温筛查，降低新冠病毒传播的风险成为构建智慧社区疫情防控体系的第一要务。值得一提的是，基于红外热成像的人体体温筛查设备只是检测人体区域表面温度，该温度会随着被测人员表面的汗液情况和气流情况出现较大波动，因此通常部署并应用在室内相对稳定环境里。

目前用于社区人体测温筛查的热成像设备主要分为三类：搭配黑体使用的热成像测温摄像机（半球或筒机）、未搭配黑体使用的热成像测温摄像机（半球、筒机或门禁面板机）和便携式手持测温仪。

热成像测温摄像机（半球或筒机）体温筛查的布置如图3所示，主要用于临时布控的社区场所，用于目标人体体温的初步筛查。当目标人体通过热成像测温摄像机的监控区域时，需通过测温结果判断目标人体体温是否超过正常体温阈值，若未超过的话，可快速通过，若超过，可给出报警提示，并通知现场工作人员做进一步处理。热成像门禁面板机的布置图与半球或筒机的布置图相似，不同的是联动方式为门禁闸机放行或禁止通行。

图3 热成像测温摄像机（半球或筒机）体温筛查布置示意图

搭配黑体使用的热成像测温摄像机通常是使用目标黑体对温度进行修正和补偿，此处具有指定温度的黑体为温度修正和补偿的参考热源，通常情况下搭配黑体会保证测温结果更为准确。具体如图4所示。

图4 热成像测温摄像机（半球或筒机）体温筛查布置实例

便携式手持测温仪筛查场景如图5所示，三脚架定点式的测温安排用于对人员的快速初筛，然后对初筛结果为非正常的目标人员采用人工巡检的方式进行复核。

红外热成像技术在人体测温领域的应用具有明显优势：

1）非接触性：保证了测温时无需接触被测目标，降低传染风险；

2）高效性：测温响应时间较短，人流量较大时仍测温效率高；

3）精确性：符合相应国际标准要求的热成像人体测温仪测温示值误差较小，且可进行校正和温度补偿操作；

4）安全性：红外热成像人体测温设备均为被动式红外设备，相比于传统的水银温度计，对环境及人体的危害明显减小；

5）全面性:红外热成像人体测温仪可显示每个矩阵像素点的温度结果，并可根据环境温度、湿度等参数进行调整，同时还有视频显示和声音提示等功能。

图5 便携式手持测温仪筛查场景布置图

4 智慧社区中红外热成像设备的技术要求

根据上章节里智慧社区中红外热成像技术的应用，现将对应的红外热成像设备主要技术参数涉及的项目整理如表2所示。

表2 红外热成像设备与社区消防周界防范设备的主要技术参数指标

在智慧社区消防主要技术参数涉及的项目中：视场角是为了保证监控区域的完整性，视场角越大设备监控范围越大；超温报警检测功能是指当目标热源温度超过设定阈值（已经起火或有起火隐患）时，可给出报警提示；烟火检测功能是指当监控画面中存在燃烧物体产生的烟雾或火焰目标时（大多数情况下火焰产生的前期都是烟雾目标），可给出报警提示；火点检测功能是指对明火目标的检测；报警联动是指报警之后可联动报警输出（包括给出声光报警提示、或上传平台等方式）。

在智慧社区周界防范主要技术参数涉及的项目中：视场角是为了保证监控区域的完整性，视场角越大设备监控范围越大；目标检测功能是指可对监控画面中出现的行人或机动车等目标进行检测并给出报警提示；目标探测距离是指目标检测功能中对行人或机动车等目标的最远探测距离；报警联动功能是指当目标检测功能触发后给出报警提示时可联动报警输出（包括框选提示、抓拍图片、给出声光报警提示或上传平台等）。

在智慧社区防疫人体测温筛查的主要技术参数涉及项目中：测温距离是指对监控画面中目标人员进行测温的最大距离；测温示值误差就是通常所说的实验室误差，在GB/T 19146-2010、GB/T 19665-2005中分别被称为实验室误差和测温准确度，是指当前目标温度值与红外热成像设备的温度示值之间的差值，是衡量测温准确性最关键的项目之一；测温范围是指红外热成像设备可探测并显示的温度范围；测温响应时间是指从监控画面中出现目标热源至目标热源温度正常显示的时间；测温一致性是指监控画面中心区域测温结果与监控画面左上、左下、右上、右下的规定位置中心点测温结果的差值范围；测温重复性是指红外热成像设备多次对同一温度的热源进行测温结果之间的差值；超温报警响应功能是指对测温结果超过设定阈值的目标给出报警提示。