智能红外监控摄像机在体温识别中的应用

侯伟 韩业飞 王军 鲍幸吉

（1.国网信息通信产业集团有限公司 北京市 102209 2.北京国电通网络技术有限公司 北京市 102208）

在我国，随着红外技术发展水平的不断提高，红外监控摄像机已经普遍化的使用到与其相关的医疗、军事、公共安全等社会及人民意识形态中的重要领域。

同时，随着计算机视觉计算的飞速发展，远程红外测温方法逐渐受到重视，可以通过热红外技术非接触地大范围测量物体的表面温度，同时对成像区域内进行多点测温。而采用红外监控摄像机和视频信息融合的人群体温检测技术，可以对特定研究对象进行特征提取，并测量特定对象的表面温度。

目前，远程红外测量温度方法的研究更加深入。传统的红外体温检测技术已经不能适应现有的情况，存在漏检、测温精度不够高的问题。因此本文基于现阶段的红外科学技术背景及发展趋势下，对其应用远离及其在体温识别方面的具体化应用进行相关的探讨研究工作，力求能够在红外技术用于体温识别的技术研究方面贡献一份绵薄之力。

1 红外技术原理概述

国际标准化组织（ISO）将红外技术定义为使用非接触式红外设备来收集和分析热信息的技术。红外是自然界中最常见的电磁波形之一。这是肉眼无法看到的能量。正常环境中的每个物体都会使其分子和原子不规则地移动，并不断发出红外热。这种红外能量的类型是辐射热，其大小主要取决于物体的温度和材料的类型。

太阳发出的光波又叫电磁波。可见光是人眼能够看得见的电磁波，实际将光分解后，可以看到红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色光。红外线是这些电磁波的一部分，它的波长小于无线电波，大于可见光，加上紫外线、X 射线、y 射线，组成了完整的电磁波谱。红外线波段范围如图1。

按照波长，红外波段通常分为近红外（0.76μm～3μm）、中红外（3μm～6μm）和远红外（6μm～15μm）[1]。自然界任何物体在绝对零度（-273℃）以上都有红外光发射，利用这个原理，人们发明了被动红外摄像技术。

被动红外摄像机技术主要检测目标物体的红外辐射，并使用光电转换和信号处理将物体的温度分布图像转换为视频图像。由于其往往仅记录物体的温度分布，因此无法清楚地区分物体的细节。目前，它主要用于目标特征分析，导热系数研究和地表/海洋热分布研究领域。

主动红外摄像机技术使用特殊的“红外光”产生红外辐射，并发射红外光以照射物体，并使用视觉元素（CCD 或CMOS）感知环境反射的红外光。红外监控摄像机使用红外探头和光学像镜接收目标的红外辐射能量，以进一步放大红外探头的光敏元件并将其转换为电信号。为了获得红外图像，图像的热分布场对应于物体的表面。通常，热成像仪是不可见和可见的红外能量转换对象。热图像中的不同颜色表示要测量的对象的不同温度。红外监控摄像机的结构框图如图2 所示。

图1：红外线波段范围

图2：红外监控摄像机工作流程

图3：红外监控摄像机原理图

在自然界中，当温度超过绝对零度（-273 ℃）时，根据Boltzmann 定律物体表面辐射单元的热辐射能量与单位绝对温度的四倍成正比。公式：

在公式中：M 是辐射单元的热辐射能量；ε 为辐射单元的表面发射率；δ 为Stephen Boltzmann 常数5.67×10-8(Wm-2K-4)（2018年数据）是辐射单元T 的表面温度[2]。

由于物体表面上存在辐射热能场。物体的表面温度越高，颜色越深；而如果物体表现颜色越暗，物体表面的温度往往就会越低。红外设备通过特殊的光学透镜吸收信息。探测器将强红外信号和弱红外信号转换为电信号，然后会其进行增大和视频化处理操作，以创建可被人眼观察并显示在屏幕上的图像。使用电视成像系统，将反映目标红外辐射分布的电子视频信号在电视，从而实现电元素到光元素的转换流程。图3 显示了红外监控摄像机的工作原理。

2 红外监控摄像机分类

2.1 LED阵列式红外监控摄像机

阵列式红外灯的核心是发光二极管阵列（LED 阵列）。与传统的LED 灯相比，该阵列红外灯亮度高、光电转换效率高、体积小、寿命长。阵列式红外灯类的摄像机产品有一个明显的不足，即“偏心现象”[3]。由于光束角可以达到120 到180 度，因此必须使用镜头来调节到相机镜头的光透射角度，这样就会导致部分光源偏离了透镜中心点，从而造成光传输不完整的情况出现。

2.2 卤素灯红外监控摄像机

卤素灯的光输出当然非常高，能量消耗和热量产生相对较大并且成本相对较高。它较为显著的缺点是体积大、散热不彻底、使用寿命很短（通常在1000 小时内发红）。而且红暴现象特别严重，因此不适合民用夜视监控方面。由于卤素红外监控摄像头和滤光片的高性能，它们可以将热量转换成热量，因此其存在采暖问题特别严重，维护成本高，使用寿命短等问题。

2.3 点阵式红外监控摄像机

其往往使用红外点矩阵光源。在第二代红外灯——阵列式红外灯的基础上开发了用于点矩阵红外灯的第三代红外发光元件。与第二代相比，第三代LED 阵列的优点是体积小、散热好、能耗低、寿命长等优势特征。

2.4 激光红外监控摄像机

红外激光监控摄像机的有效照射范围一般为300 至5000 米。由于其能量集中，因此不适用于小角度和长距离的情况。且目前成本仍然很高，因此还不能够完全范围化的使用。它更适合于监视消防、油田、铁路、水设备保护、景观保护、军事、水产养殖、港口和安全市场等相关领域。因此红外监控摄像机必须基于特定的使用环境进行红外摄像机类型的选择。

3 红外监控摄像技术的优缺点

3.1 红外监控摄像技术的优点

相比较于传统的可见光监控技术，红外摄像机的监视技术具有三个主要的功能优势，即：第一是可以将人眼的所能够观察到的区域扩大到红外光谱范围；第二是对系统的运行灵敏度进行显著的提高；第三是获得客观世界与热运动相关的信息。此外，红外监控摄像技术还具备以下优点：

3.1.1 排查方面

属于快速、大面积排查，红外监控摄像机使用非接触成像测温手段，图像响应速度为0.04ms，测温响应速度快，可在1S 内排查视场内人群中一个或多个高温个体。应用红外监控摄像技术能够实现对远距离热目标的精准跟踪，并且可同时对多个目标进行跟踪，实现跟踪效率的提升。

3.1.2 距离方面

红外监控摄像机使用了一种被动、无故障的远程温度测量方式，并且被检查者无需停止、站立或执行操作等动作即可完成体温识别的流程。同时，测试工作人员可以不近距离接触人群，从而可以有效避免交叉感染。

3.1.3 判断方面

红外监控摄像机可以搜索被识别人员的体表温度，并通过其自身的相关软件功能来计算、识别目标体温，从而使工作人员能够更为便利的进行温度测试的工作。

3.2 红外监控摄像技术的缺点

红外监控摄像机的颜色在白天的光照（曝光）以及一些其它因素的影响下或多或少都会存在使其图像出现一些偏色的现象。最直接的原因是摄相机滤光片出现问题。通常，一般红外一体摄像机使用能透过一定比例红外光线的双峰滤光片，其同时还存在成本低的优势点，但由于自然光在进入CCD 时会包含更多的红外成分，因此会导致一定程度上干扰到摄像机色彩的还原功能，例如树木的绿颜色变灰白甚至是黑等色彩（外部环境中有一定强度的阳光时更为明显）。此时，我们可以通过使用IRCUT 双过滤器可有效解决此问题。IRCUT 双滤光片包括红外截止滤光片和全光谱分光光学玻璃组成。如果日光充足，则红外截止滤镜将启动进行工作，并且使得CCD 能动性的恢复物体原来色彩；当夜晚光纤不充足的时候，红外截止滤镜会自动移开，整个分光镜的开始工作，因此使得CCD 可以利用所有光，从而显着提高红外图像显示性能。

4 使用红外技术应该注意的问题

选择红外灯时最重要的问题是红外灯以及摄像机、镜头、电源等相关特性。正确的方法应该是充分地、准确地考虑设计计划中的所有设备，并将其视为低红外夜视监控系统的技术要求进行相关设计，而不是要在所有红外摄像机的部件都已经安装好的情况下再来重新考虑红外灯。

4.1 首先使用红外线感应相机

实际上，CCD 是一种通用光谱设备，其往往可以感应到所有光的存在，但是红外光会在彩色CCD 上产生“色带”等色彩偏差的影响[4]。因此，现阶段市面中，的常规的彩色照摄像机都增加了对红外不敏感的滤光器以消除红外光得相关装置。当前市场上有两种用于彩色红外摄像机的方法，其分别为：使用双峰单滤光片和白天夜晚切换不同滤光片的方法，采用双峰单滤光片是在滤光片上镀颗同时透过可见光和红外光的镀膜。此类方式的缺点是可以透射红外光，这会导致在白天时图像的颜色发生变化（偏色情况居多）；电子阀改变不同的滤光片的方法。在处于白天的情况下可以选着使用对红外线不敏感的滤光器，并且到了晚上时可以通过切换滤光器开关使得使红外光能够在夜间通过，以检测由红外光发出的红外光以进行摄影、成像。

4.2 镜头选择

首先，我们必须注意CCD 或CMOS 摄相机的尺寸。目前，相机感光芯片的主要尺寸为1/2、1/3 和1/4。因此，匹配不合适或出现暗角或镜头角度浪费等现象。一般情况下，使用红外摄像机，则必须使其带有IR 功能的红外镜头。没有IR 功能的常规镜头往往会导致白天和晚上的聚焦偏差，从而出现白天图像显示清晰而到了晚上图像显示模糊的情况出现。此外，我们还应该调整所选红外光的发射角度，使其与灯光的发射角度相匹配。如果镜头角度大于红外等角度，则有可能会出现“手电筒”的不良现象——中间较亮，而周围较暗。如果镜头的角度小于红外光的角度，则会浪费导致一些红外光没有作用的位置，白白浪费了；其次，还应该注意镜头的光圈值。进入镜头的光量虽然后可能具有相同的焦距，但是其中的镜头进入的光量还是有较大区别的，比如说F1.2 和F3.0 中，进入镜头的光量就能够达到6 倍的相差态势。

4.3 选择电源

选择电源时，我们应该更多地需要考虑电源输出功耗的冗余程度。通常，电源设备的功耗必须超过系统功耗的20%。如果我们所选择的电源输出功耗与系统总功耗完全相同或略大于总功耗，则基本电源会因为已被充分利用而导致电源温度很高，同时可能会造成电源的负载能力下降。选择电源时，还必须考虑到相机布线线路上的功率损耗和压降功率。如果布线距离太大，可以适当增加相应的电源电压，以满足远程摄像机和红外光场的电源电压要求。最常见的问题是低压红外光无法在标准电流下工作，从而导致红外光场的辐射距离大大减小。

5 智能红外监控摄像机在体温识别中的应用

5.1 灾害防治方面

（1）灾难发生后，政府必须进行及时的损失评估，以了解有多少人受到影响以及可能造成混乱的情况出现[5]。无人机上的红外监控摄像头是一种强大而及时的辅助工具，可以将许多“电子眼睛”带上空中，实现范围性的监控功能。无人机配备了合适的红外视频屏幕以及红外摄像头，从而可以根据灾害发生后的幸存者们的体温识别功能，高效地开展以及执行相关的搜索和救援任务。携带红外摄像头的无人机可以在广阔的区域上空飞行，并使用其温度检测功能以精确的搜索模式发现并救援幸存者。

（2）智能红外监控摄像机还可以帮助警察和消防队等急救人员找到临时的群众安置区区域，精确找到幸存者，甚至深度化的听到他们的声音或找出他们的受困位置。即使街道上充满了难以逾越的阻碍物，无人机和红外监控摄像机也可以利用其自身控制优势为救援指导者提供重要的及时数据，指导者就可以基于体温检测原理使智能红外监控摄像及可以立即启动，从而使无数人民群众再次安全归来。

5.2 医疗应用方面

5.2.1 助力疫情防控实时监测

传染病的发生往往与人体温度的升高呈现相关的密切联系。红外监控摄像技术主要利用人体发出的红外热辐射来测量人的体温。通过这一体温识别保障流程，来发现疑似患者，从而基于实际情况采取必要性的、适当性的相关保障措施，以防止大规模流行病的蔓延。同时，红外智能监控摄像设备还能够在疫情防控方面进行大范围化、深入化的实际体温识别应用功能。具体变现在，其可以实时化、快速化、远程化、准确化、地测量多个人体体温的指向目标。

5.2.2 保障公共区域环境安全

火车站、机场常见的“体温识别机器人”上的红外监控摄像机就是保障公共区域环境安全的有力助手。其可以全天24 小时在地面、建筑物或水中检测热源。红外摄像头将彩色编码的图像实时传输到笔记本电脑、手机、平板电脑或大屏幕显示器上。根据用户选择的设置，可以使热源以鲜红色、白色或其他颜色标记出来。与小黑昨天介绍的人体红外测温仪类似，遇到异常温度人员，体温识别“机器人”还能实时报警，提醒后方人员及时反应。此外，它还能解决重点检测成员体温检测难题。非常时期，不少居民对工作人员上门测温很是抵触。而红外监控摄像机恰好可以避开这一难题，通过远程测温，不直接接触，既完成体温检测任务，也减少了交叉感染风险，堪称守护人民健康的“陆地卫士”。

5.3 军事防卫领域的应用

5.3.1 国土防御、边境线监察偷渡人员应用

随着，美国持续增加它的边境通道、机场及其他进入通道，生物与边界巡天照相机会扮演一个重要的角色。指纹与其他直接接触手段会成为人员识别的最终手段。现在指纹识别的有效性限制于数据库，在于采集指纹库。结果，大多数身份认证由报关员进行面部识别和照片比对，红外监控摄像设备可以在此辅助。由于全球的反恐战争越来越成为美军的焦点，随之而来的是情报收集工作越来越重要。然而过去侦查实际上更多的在战略层次，而现在则是在战术层次，这需要更高的时间和性能要求，比如识别出一个感兴趣区域内的一个人，红外监控设备的特殊性能让其监控系统成为在海陆空领域的“新一代”助力工具[6]。

5.3.2 透过雾霾、尘、烟海上侦察应用

红外监控系统还有一项优点是，它所成的像与人眼所看到的非常类似。这一点，增强了识别能力，减少了潜在的友军误伤。另外一点，装有近红外导航灯的运输车辆，可以让其他运输车辆容易跟随。现代潜艇的光电桅杆需要多光谱的成像与检测。而一项非常重要还未使用的是在近红外光谱段的成像。例如，可见光成像通常无法透过雾霾、尘、烟观察，然而近红外却很容易成像。这种情况下，红外监控摄相机有着更好的成像；红外监控摄相机利于火箭的跟踪成像等军事防卫领域的应用方式。

6 结论

综上所述，红外监控摄像机性能强悍，它可以被广泛的应用于各个领域之中，它的功能具有巨大的市场发展空间，能够为相关开发者带来不菲的收益。红外监控摄像机在各个领域都被广泛的应用，如医疗、军事以及公共安全上，都被广泛的应用，对红外技术的体温识别进行研究，能够大幅度的提高视频监控系统的智能化体温识别，从而一定程度上扩宽传统视频监控的行业智能化应用方向，从而构建更加全面的智能化监控系统。