热成像网络摄像机的特征与应用

文/吴康

所有传统的网络摄像机均有基本物理限制：需要在光线下工作，至少到目前为止是这样。

当然，部分网络摄像机拥有日／夜转换模式，可以在光线极暗的环境下工作，光线强度不到1勒克斯时也可以应付。如果没有自然光，则可以用电光替代，肉眼可见或红外线可见均可。但是在某些情况下，这些解决方案的缺点也比较明显，如价格昂贵、能耗高、照明会产生闯入者可以躲芷藏阴影等等。这是传统热成像技术的不足，也是作为需要应用于网络视频系统的热成摄像机所面临的挑战。

随看成热像技术的发展与网络化，新颖热成像技术正在不断升温，于是成像网络摄像机将成为所有专业IP监控系统的完美补充，它能够无缝地集成到现有的设备（如网络视频系统）中，在完全黑暗的环境下监控某个地区或周边地区。热成像网络摄像机呈现能够完美地补充和完善网络视频系统，确保物体、人和事件得到全天候监控。值此本文将对补充和完善网络视频系统的热成像网络摄像机技术特征与应用作研讨，并对其核心部件热成像探测器的技术应用特征作解析。

不断创新的新颖热成像技术

热成像并不是一项新技术。但是这项技术的花费一直非常高，因此在军事以外的其它领域应用较少。近来随着新传感器、新材料和其它改进技术的推出，这项技术的应用范围正在扩展，价格也日趋合理。即使在完全黑暗、浓雾、烟雾、雨、雪甚至强光刺眼的环境下，热成像/热感网络摄像机仍能检测到处于境中的人和物体，见图1所示。

因此，现在，在飞机制造业、航运业和安防业等诸多行业均可以见到热感网络摄像机的身影。热成像技术在消防和执法等公共服务中也得到了应用。

技术指标的更新

和其它摄像机一样，热成像/热感网络摄像机收集形成图像的电磁辐射。传统的摄像机可捕捉波长为400-700纳米(0.4-0.7微米)的可见光；而热感网络摄像机能检测到波长更长的放射线，可达约1，400纳米(14微米)。在这一电磁频谱范围内的放射线被称为红外线(IR)：红外波段又划分成多个子波段。近红外线的波长约为0.7-1.5微米：肉眼无法观察到近红外线。而热成像网络摄像机传感器能检测和利用这种放射线。所谓的“全天候”摄像机在白天借助红外滤光片过滤红外光，因此，它不会改变人眼所看到的图像的颜色，当这种热成像网络摄像机在夜间模式工作时，不使用红外滤光片。由于人眼无法看到红外线，因此，热成像网络摄像机以黑、白两种颜色显示图像。近红外线也需要某种光源，如月光这样的自然光源或者路灯、专用红外灯等人工光源。

除可见光外，其它波段的红外线通常分为以下几类：短波红外线(5WIR)，波长约为1-3微米；中波红外线(MWIR)，波长约为3-5微米；长波红外线(LWIR)，波长约为8-12微米；超长波红外线

图1 热成像/热感网络摄像机在完全黑暗环境中检测到的人和物体

图2 为热成像/热感网络摄像在环境差中摄录出着色的图像

请注意5微米

传统的摄像机仅可接收波长在0.4-0.7微米之间的可见光，而热成像网络摄像机能检测到红外频谱宽至约14微米的放射线。

技术特征

人眼看到的图像可以被视为不同物体所反射的光。没有光线就不会产生反射，因此人眼在没有光线的情况下看不见东西。然而，热成像却不依赖于可见光。相反，图像来自于红外线拍摄。由于周围的光线强度不会对它产生影响，因此即使在完全黑暗的环境下它也可以良好运行。这一技术能够实现的原因在于，所有的物体，不论有机还是无机，均会由于自身的温度作用而发射一定数量的红外线。所有绝对温度高于0开（-273oC或-459oF）的物体都会发射一定数量的红外线。这意昧着即便是温度极低的物体(如：冰、冬天在室外放置的钢铁等)也会产生热辐射。

物质能够以辐射的方式向外导热的能力被称为放射率。所有物质都具备或高或低的放射率。物质的放射率值为0至1，取决于物质本身的属性。只适用于一种称之为黑体的理论上的物质，通常，物体表面越粗糙、颜色越暗，它的放射率值越接近1。相反，反射能力越强的物质，其放射率的值越低。例如，经高度抛光的银和铜的放射率分别为0.02和0.03。抛光后的铁的放射率约为0,14至0.035，而红褐色的铁的放射率为0,61。一块能有效地阻止热辐射的普通玻璃的放射率为0.92。

热成像网络摄像机能检测到所有物体发出的热辐射。它能够形成黑白图像；同时为方便人们辨别不同的阴影，还可人为地给图像着色，见图2所示。

物体产生的热辐射还取决于其自身的温度，温度越高，产生的热辐射越强。人眼虽然无法看到红外线，但是我们可以感觉到它，例如当我们靠近篝火或进入桑拿室时图像中不同部分的温差越大，热成像也就越清晰。此外，有些物质的放射率在中波红外频谱和长波红外频谱环境下有所差异。在成像应用中，这些放射率上的差异一般不重要：原因在于感光度决定了摄像机区分温度差异的能力。有时，热成像与色彩的亮度和对比度有关，这似乎有点奇怪，似乎对可见光光谱范围外的光线也起作用。这种现象出现的原因是摄像机以数字的方式记录颜色，这些颜色被称为伪色。每种颜色或者每种色调的细微差别代表不同的温度。通常，白色和红色代表较高的温度，绿色代表中间温度，而蓝色和紫色代表较低的温度。究其原因，最重要的一点是人眼辨识色彩阴影的能力比辨识灰度的能力强。

应该说，从成像技术与应用的角度，与热成像网络摄像机密切相联的是热成像探测器或称热感摄像机的传感器。其热成像探测器将是热感摄像机传感器的核心部件，它是热感摄像机技术指标与灵敏度高低的关键。为此将对其新型热成像探测器应用特征作研讨。

而当今热成像探测器可大致分为以下两种类型：用于处理中波红外线(MWIR)的制冷式热成像仪和用于处理长波红外线(LWIR)的非制冷式热成像仪。

新型热成像探测器技术应用特征

温度越低效果越好的制冷式探测器

通常，在温度低于60～100开(相当于-210oC～170oC 或-346oF～274oF)的真空密闭环境下，会用到制冷式红外线探测仪。环境温度决定成像效果。上述极端低温环境可使用低温制冷器形成。对热感应噪声需要通过冷却来降低。在较高温度的环境下，传感器可能受自身产生的辐射影响，难以感知外部辐射。该设备导致探测器不仅笨重昂贵，而且能耗非常高。尽管这一技术的应用成本高、需要维护，但它也有自身的优势。探测器可以探测到中波频段的放射线，能提供更好的空间分辨率，因为波长越短，产生的热对比度越高。因此，制冷式探测器能分辨较小的温度差别并产生高分辨率的清晰图像。

探测器的另一大优点是灵敏度较高，可支持使用光圈系数较高的镜头，因此，制冷式探测器是长距离探测应用(如：5千米～16千米【3～10英里】)的更好选择。

性能出众的非制冷式技术

非制冷式热感摄像机的传感器并未采用低温制冷工作原理。在这种情况下，传感器使用相对简单的温度控制器件，使温度稳定在或接近于环境温度。这种传感器对长波红外线起作用。在传感器的设计中，普遍采用微测技术。这是硅元件上的一个小电阻，其阻值随温度产生变化，具有绝热特性，并以电子方式显示温度。环境温度改变后，辐射热测定器的测定值随之改变；该测定值可转换成电子信号，经处理之后形成图像。摄像机对红外辐射的敏感程度(即辨别同一环境中不同温度的能力)以NETD(噪声当量温度差)值表示。最新一代的辐射热测定器的NETD值可低至20mK。

非制冷式热感摄像机传感器的体积较小，集成了较少量的可移动部件。因此，与制冷式热感摄像机传感器相比，它们的成本更低、服务期限更长。制冷式摄像机每工作8000～10000小时需要更换一次低温冷却剂，而非制冷式摄像机可连续工作多年。

独特优势的热成像网络摄像机应用上的新台阶

可在风雨无阻中应用

热感摄像机不仅可以在完全黑暗的环境下正常工作，在薄雾、灰尘、雨、雪和烟尘等苛刻的天气条件下均可保持良好运行。尽管如此，热感摄像机的性能仍然存在物理限制。在深阴影或其它难以取得照明的环境中，热成像网络摄像机是普通监控摄像机的最佳的完美补充。从图3（a）热成像网络摄像机图像与图3（b）普通监控摄像机图像之比较可看普通监控摄像机看不清的图像则热成像网络摄像机的图像是一目了然。

空气中的水滴或微小的灰尘颗粒会阻碍单一物体热辐射的传送，使得远距离监控难上加难。薄雾和雨雪等天气条件会影响摄像机的性能。水会限制热辐射，空气中的水分会使图像中不同物体之间的温差达到平衡。因此在大气条件相似的情况下，与湿度通常较高的夏季相比，在天气晴朗、天气条件较好的冬季使用热感网络摄像机拍摄出的图像质量更高，也更加清晰。即使考虑到这些限制因素，热感网络摄像机在各种苛刻天气条件下的侦测效果也要远远胜于传统摄像机。

图3 （a）热成像网络摄像机图像（b）普通监控摄像机图像

可应用于视频监控系统之中

尽管热感网络摄像机的投资成本非常高，但它在安全和监控领域已获得了认可。这种摄像机主要用于对安全性有极高要求的建筑物和地区，例如：核电站、监狱、机场、管道及敏感铁路路段。但迄今为止，要将热感网络摄像机集成到传统视频监控系统中，并不容易做到。当然，随着热成像网络摄像机的发展，兼容性问题将会被消除。例如，新设备将更容易整合到已有的视频管理系统中。IP监控带来的诸多益处还包括：互联网供电(PoE)、分布式智能视频、标准化视频压缩技术和音频支持。PoE是一种通过以太网来同时安全传输电力和数据的技术：它不需要使用电缆，因此安装成本大大降低。智能视频指在解决方案中，视频监控系统能自动对捕获到的视频数据进行分析(如动作检测、音频检测和虚拟围栏)，或在摄像机被破坏或被恶竞拆改时报警。在热成像网络像摄机中，这一分析功能可以提高摄像机的工作效率、增强其可扩展性。

热成像网络摄像机在阴影处没有潜伏。热成像网络摄像机也可用于室内监控，以提升楼宇的治安工作质量、提高应急处理能力。在楼宇内安装热成像网络摄像机后，可确保在楼宇关闭后不会有人藏在其中，从而避免产生恶意人为破坏及骚乱。

值得注意的是有二个问题

其一是，有一点困扰，那就是不存在适用于热感摄像机的标准光学系统。而焦距的调整或特殊视角的处理都必须在工厂完成。由于普通玻璃能有效地阻挡热辐射，因此，不能使用常规光学系统和镜头。为此，生产厂商家不得不依赖于其它材料。目前，在热感摄像机光学系统中常用到锗。锗是一种非常昂贵的非金属物质，其化学性质类似于锡和硅，它可以在允许热感辐射通过的同时屏蔽可见光。当然，对热感摄像机的外壳也有同样的要求，不能在室外热感摄像机中使用标准外壳。外壳和镜头一样，必须使用热感摄像机专用外壳；其二是，热感摄像机的分辨率通常比传统网络摄像机低很多。这主要是由于热成像中涉及的传感器技术花费更高。由于热感摄像机机的首要用途是侦测而非识别，因此大部分监控应用的帧速较低不呈什么问题。

热成像网络摄像机在阴影处没有潜伏，故它也可用于室内监控，以提升楼宇的治安工作质量、提高应急处理能力。在楼宇内安装热成像网络摄像机后，可确保在楼宇关闭后不会有人藏在其中，从而避免产生恶意人为破坏及骚乱。

结束语

随着热成像网络摄像机设备的价格逐渐降低且成为IP监控系统的重要组成部分，它在各个领域的应用逐渐成为可能，在价格上也更加易于接受。热成像/热感网络摄像机在很多情况下均可以很好地补充传统摄像机的性能不足。当然，热感摄像机在完全黑暗环境中的性能是无以伦比的。在沿海地带、海港或所有其它宽阔的开放水域等难以提供有效照明的地区，热感摄像机也是很好的选择。相似地，人工照明不仅存在暴露摄像机安放位置的风险，从而使摄像机被破坏或避开，还会产生投射阴影，从而导致闯入者利用阴影避开侦测。

此外，探照灯除了照明以外，也会遮挡光线。因此在各种交通条件下，不论是铁路轨道、飞机跑道还是普通街道，不依赖于光线的摄你机都是首选。此外，热感摄像机在强光或激光束下不会失去监控能力。

总而言之，热成像/热感网络摄像机能够完美地补充和完善网络视频系统，确保物体、人和事件得到全天候监控。