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红外热像仪和视频报警系统在安防领域的应用

导读: 随着技术进步,视频监控系统已经在国家公共安全防范的各个领域中开始了广泛使用,这使得人民的安全环境在很大程度上得到了提高。现在的视频监控系统主要采用的是可见光摄像机和人工监视、录像相结合的方式进行日常的安全防护。但由于可见光摄像机在恶劣天气或照度较低的条件下

    一、系统概述

    随着技术进步,视频监控系统已经在国家公共安全防范的各个领域中开始了广泛使用,这使得人民的安全环境在很大程度上得到了提高。现在的视频监控系统主要采用的是可见光摄像机和人工监视、录像相结合的方式进行日常的安全防护。但由于可见光摄像机在恶劣天气或照度较低的条件下,很难滤除干扰得到有用的视频图像,因此使得整个安全防范系统在夜间或恶劣天气条件下的防范能力大打折扣。而且现在的视频监控系统必须由安保人员对视频画面进行24小时不间断的监视、人为对视频图像进行分析报警,否则系统就起不到实时报警的功能只能起到事发后取证的作用。因此整体来说,现在的视频监控系统还处于在半天时、半天候和半自动状态。因此如何提高在“夜黑风高”的案件高发时间段的自动报警防范能力,就成为了国家公共安全防范领域内急需解决的重要问题之一。

    红外热像仪及视频报警系统,是基于非制冷红外热像仪或可见光摄像机等硬件系统,采用红外/可见光复合成像、视频图像处理及自动行为分析报警等相关软件与之结合,将现有视频监控系统的良好天气下的人工监视、事后取证功能,提升为全天候条件下的免人为看护、电脑自动实时报警功能。系统可在夜间或者恶劣天气条件下(如大雨、大雾等)工作,不仅能节省大量的人力,同时可实现全天时全天候实时报警。不仅弥补了现有视频监控系统的不足,而且提升了安防系统的自动识别、自动报警等相关自动化程度,具有非常重要的社会作用,具有广阔的市场。

 

    1、非制冷红外热像仪硬件系统

 

    红外热像仪是一种用来探测目标物体的红外辐射,并通过光电转换、电信号处理等手段,将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的高科技产品,其核心器件和技术主要为焦平面探测器、后续电路、图像处理软件等三部分。焦平面探测器用于感知目标物体的温度分布,并转换为微弱的电信号;后续电路将微弱的电信号进行电子学放大和逻辑处理,从而能够清楚地采集到目标物体温度分布情况;图像处理软件则对上述放大后的输出电信号进行处理,呈现为目标物体温度分布的可见光像。根据红外热像仪中的核心部分——探测器的工作方式不同,红外热像仪可以分为制冷型红外热像仪和非制冷型红外热像仪。

 

    2、视频报警系统

 

    视频报警系统是以数字化、网络化视频监控为基础,基于计算机视觉技术对监控场景的视频图像内容进行分析,提取场景中的关键信息,并形成相应事件和报警的监控方式,是新一代基于视频内容分析的监控报警系统。它能对视频图像中的目标进行自动监测、识别、跟踪和分析,并通过电脑程序的自动筛选,过滤掉大量用户不关心的视频监控录像。通过分析、理解视频画面中的内容,为用户提供对监控和报警有用的关键信息。由此可见,视频报警分析技术改变了传统视频监控的被动接受感受模式,变被动为主动地对监控现场的视频录像进行实时地分析。在本项目中,视频监控系统主要具备非法闯入报警功能、逆向行驶(行走)报警功能、遗留物报警功能、徘徊报警功能与红外与可见光图像融合、图像增强、图像去抖动、目标的锁定与跟踪功能。

 

   二、技术先进性分析

 

    以前,红外探测器由于成本和使用条件等多方面因素,应用于安防工程的成熟案例是少之又少,但随着红外成像技术的不断发展,非制冷红外探测器的成本不断降低,使之应用于安防和监控工程成为可能。而可见光摄像机和红外摄像机复合应用,又可为自动报警设备提供更加信息丰富的图像,更有利于报警功能的完善。此外,红外热成像技术有着自身独有的优势:

 

    1)被动式的非接触的检测与识别,隐蔽性好。

    2)不受电磁干扰,能远距离精确跟踪热目标,精确制导。

    3)真正做到24小时全天候监控。

    4)探测能力强,作用距离远。

    5)采用多种显示方式,帮助人类勘测不能感知的物体能量。

    6)直观地显示物体表面的温度场,不受强光的影响,应用广泛。

    视频报警系统是安防技术发展的必然,这与它显著的优势是分不开的:

 

    1)24×7全天候可靠监控

 

    视频报警系统彻底改变了以往完全由安全工作人员对监控画面进行监视和分析的模式,它通过嵌入在前端设备中的智能视频模块对所监控的画面进行不间断分析,并采用智能算法与用户定义的安全模型进行对比,一旦发现安全威胁立刻向监控中心报警。

 

    2)提高报警精确度

 

    视频报警系统能够有效提高报警精确度,大大降低误报和漏报现象,减少无用数据量。视频报警系统的前端设备集成了强大的图像处理能力,并运行高级智能算法,使用户可以更加精确地定义安全威胁的特征。

 

    3)提高响应速度

 

    视频报警系统拥有比普通网络视频监控系统更加强大的智能特性,它能够识别可疑活动(例如有人在公共场所遗留了可疑物体,或者有人在敏感区域徘徊等),在安全威胁发生之前就能够提示安全人员关注相关监控画面,使安全部门有足够的时间为潜在的威胁做好准备工作,还可以使用户更加确切的定义在特定的安全威胁出现时应当采取的动作,并由监控系统本身来确保危机处理步骤能够按照预定的计划精确执行,有效防止在混乱中由于人为因素而造成的延误。

 

    4)有效利用和扩展视频资源的用途

 

    对事件和画面经过了智能分析和过滤,仅保留和记录了有用的信息,使得对事件的分析更为有效和直接,同时可利用这些视频资源在非安全领域进行更高层次的分析,如智能视频系统还可以帮助零售店的老板统计当天光顾的客户数量,用以分析销售情况等。

 

  三、产品使用范围

 

    随着人民对安全环境要求的提高和国内反恐局势的需要,红外热像仪和视频报警系统已开始广泛应用于军品和民品两个领域。

 

    1、军用领域需求范围

 

    在军事领域,非制冷红外探测和视频分析报警技术已经广泛应用到了红外监视、警戒、探测、侦查、跟踪和瞄准的各个领域,尤其是在导弹红外寻的器、单兵武器红外枪瞄、便携式导弹瞄准具、单兵红外夜视仪等方面国内外已经形成了批产。在头盔夜视仪、监视员视觉增强器和大型军用光电系统中的应用已经全面展开。21世纪初,非制冷红外热成像和视频分析报警技术还被应用到无人侦察机和微型航空器照相,或侦查探测的一次性传感器上。而且由于非制冷红外热成像系统的独特技术优势,随着其技术的不断进步,目前的高灵敏度制冷型红外热成像设备必将逐渐被非制冷设备所取代。

 

    2、民用领域需求范围

 

    随着非制冷红外技术的发展,红外热像仪在民用领域得到了广泛的应用,而且正展现出更为广阔的市场需求,未来市场空间将超过军用需求。我国红外热像仪还处于起步阶段,发展空间巨大,在以下领域将会有广泛应用:

 

    1) 用于公安系统的刑事侦察、社会治安监控、监狱的防范;

    2) 用于消防系统的火灾预警或灾害救援;

    3) 用于重点要害部门的周界防范;

    4) 用于机场等特殊场所的安全防范;

    5) 用于边境的越境防范、缉私;

    6) 用于无人飞行器的视频侦查、分析;

    7) 用于金融、商业系统的安全防范;

    8) 用于飞机起降、船舶导航、车辆驾驶等的视觉增强器;

    9) 微型飞行器和机器人视觉以及机器人搜索救援;

    10) 电力传输线、发电与变电设备、电力设备、化工成套设备等非接触热故障诊断;

 11) 在医疗监测与疾病方面可用于病情诊断;

    12) 在电子组件、印刷电路板发热研究和检测;

 

    四、产品研发总目标

 

    本套产品的研究总目标是:结合红外热成像技术、视频分析技术和通讯技术研发生产出集非制冷红外热成像仪和视频报警软件为一体的多种安全防范系统,本系统可应用在边防、缉私、消防、电力、反恐、灾害救助等军、民领域,并形成如下产品:

 

 

    根据研制总目标,所列产品均可分为视频输入设备、视频处理设备和视频传输设备三部分。由视频输入设备采集的实时视频图像,通过视频传输设备将视频图像传输至视频处理设备中,视频处理设备按照预置的报警策略或视频处理方式,对图像进行分析处理,而达到安防、侦察、视频诊断等目的。

 

    视频输入设备包括非制冷红外热成像仪和可见光摄像机,其中可见光摄像机是外购成品,而非制冷红外热成像仪由项目组对现有设备进行改造、研发,以适应不同场合的使用需要;视频处理设备由项目组自主开发而成,能够实现安防报警、火灾报警、视频融合和稳像等功能;视频传输设备主要应用成熟的光纤、网络等设备,在该基础上进行系统适应性改造。
综上所述,安全防范系统主要研制内容为非制冷红外热成像仪和视频处理设备。

 

    非制冷红外热成像仪

 

    非制冷红外热成像仪是通过非制冷红外CCD芯片探测红外能量,并将其转换为电信号,进而在显示器上生成热图像的探测设备。红外热像仪能够将探测到的热量精确量化,使观测者不仅能够观察热图像,还能够对发热的故障区域进行准确识别和严格分析。硬件设备应具有不需制冷,功耗小、重量轻、小型化、启动快、使用方便、灵活、成本低等特点。

 

    非制冷红外CCD芯片在国内还未有能够成熟使用与安防等系统的芯片,所以对于非制冷红外热成像仪主要研究其后处理电路、系列镜头、环境适应性和测试方法。针对研究内容,拟形成三种六型非制冷红外热成像仪。

 

    视频处理设备

 

    视频处理设备通过应用各种视频处理算法,实现各种安防报警,一旦侦测到违反相关设定的安全问题,就会通过屏幕和声音报警,同时将报警信息进行记录以供日后查询。其主要功能包括非法闯入报警功能、逆向行驶(行走)报警功能、遗留物报警功能、徘徊报警功能、红外与可见光图像融合、图像增强、图像去抖动和目标的锁定与跟踪功能。设备构架可分为基本PC平台软件和嵌入式平台系统两种方式。

 

    基本PC平台软件是可以运行于PC机或服务器的软件产品,所以又分为单机版视频处理软件和网络版视频处理软件(服务器和客户端)。单机版视频处理软件适用于单一设备的视频处理或单一地点的视频监控,网络版视频处理软件适用于多点、多区域视频监控。该系统构架具有开发速度快、平台应用广、通用性好、易于安装的特点,但若想达到实时处理的目标,则存在对运行软件的服务器或PC机配置要求较高,且整体系统资源利用率不高的缺点。而且对于市场销售来说,该构架不利于知识产权保护,遭受侵权的可能性较大。

 

    嵌入式平台系统是在嵌入式平台上运行视频处理算法,对多路视频图像实时进行视频分析和报警工作,并最终将处理好的报警信息传输至客户端软件的系统平台。客户端软件运行于PC机上,实时显示各路图像,当嵌入式报警装置发送报警信号后,按照预设模式,显示报警信息,对报警信息进行记录、报警视频进行存储,实现人机交互。该系统构架可分为小型嵌入式视频处理系统和网络嵌入式视频处理系统。小型嵌入式视频处理系统适用于便携侦察、单路处理、机器人视觉等多种用途。网络嵌入式视频处理系统适用于实时多点、多区域视频监控。该系统构架具有速度快、视频处理实时性好、系统资源利用率高、系统可靠性高的优点,但也存在开发周期长、开发难度大、前期投入高的缺点。在今后的市场销售中,此构架更利于知识产权的保护,防止第三方侵权。

 

    根据以上分析,视频处理设备主要研究单机版视频处理软件、网络版视频处理软件、小型嵌入式视频处理系统和网络嵌入式视频处理系统四项内容。

 

    五、市场需求和经济效益分析

 

    1、市场需求分析

 

    红外热像仪和视频报警系统是针对现今军、民用领域的相关市场需求而提出的,项目不仅可通过软硬件结合的方式构成一套完整的全天候全天时全自动的视频监控报警系统,而且可将软件或硬件子系统单独使用以满足甲方个性化的需求。

 

    红外热像仪具有很高的军事应用价值和民用价值。在军事上,红外热像仪可应用于军事夜视侦查、武器瞄具、夜视导引、红外搜索和跟踪、卫星遥感等多个领域。在现代战争条件下,红外热像仪已在卫星、导弹、飞机等军事武器上获得了广泛的应用;在民用方面,红外热像仪可以用于材料缺陷的检测与评价、建筑节能评价、设备状态热诊断、生产过程监控、自动测试、减灾防灾等诸多方面。同时,随着非制冷红外热成像技术的发展,尤其是随着产业化过程中生产成本的大幅度降低,红外热像仪已在工业、农业、医疗、消防、考古、交通、地质、公安侦察等民用部门得到了非常广泛的应用。

 

    视频报警系统有别于一般的网络化视频监控,它是一种更高端的视频监控应用。智能视频监控系统能够自动识别不同的物体,发现监控画面中的异常情况,并能够以最快和最佳的方式发出警报和提供有用信息,从而能够更加有效地协助安全人员处理危机,并最大限度地降低误报和漏报现象。在世界反恐斗争日趋严峻的今天,智能视频监控显然能够成为应对恐怖主义袭击和处理突发事件的有力辅助工具。此外,其还可以应用在交通管理、客户行为分析、客户服务等多种非安全相关的场景,以提高用户的投资回报。

 

    2、经济效益分析

 

    近几年红外热像仪将装备到各种现代化武器中,目前全球军队数量约为2000万人,如果10%的军队按每个士兵配备1具红外热像仪,每具红外热像仪按2000美元 (目前售价约为1万美元)计算,全球军用红外热像仪市场需求总量可达40亿美元。在发达国家,红外热像仪已广泛配置于陆军、空军、海军等各个军种中,海湾战争中平均每个美国士兵配备1.7具红外热像仪。与发达国家相比,目前我国军队中对红外热像仪的应用相对较少,按照我国政府发布的《2006年中国的国防》白皮书,我国军队的人员数量为230万人,如果未来我军10%的部队装备红外热像仪,则我国军用红外热像仪市场容量就可达到23万套,以每套10万元(目前大部分军用红外热像仪实际售价远超过10万元)来计算,其市场远景需求量可达230亿元。

 

    消防领域是世界上发达国家红外热像仪最大的民用市场,由于红外成像的透烟雾及测温特性,因此,红外热像仪可应用于消防的火场救生和检测设备。据统计,目前全球有大约500万消防人员,如果每辆消防车辆配备一台热像仪,市场总量将达到200,000台。我国消防车中还鲜有配备红外热像仪,据我国公安部消防局装备处的统计资料,目前我国消防车保有量约为2.3万辆,按照公安部、国家发展和改革委员会、建设部修订的《城市消防站建设标准》要求,到2008年底,每个消防站的消防车配置已由过去的3.2辆增加到5辆,消防站将新增500个,全国消防车总量因此将增加近8000辆。随着我国经济社会的发展,消防车配备红外热像仪将成为一个趋势,如果每台消防车配备一台红外热像仪,我国消防行业的红外热像仪的市场将达到3万台左右,平均每台按10万元计算(目前售价约为15万元),市场需求总量达到30亿元。

 

    在电力行业,虽然该行业是目前我国民用红外热像仪应用最多的行业,但目前仅限于广东、浙江、江苏、山东等沿海经济发达地区,而且这些发达地区的拥有量也仅为需求量的20%。作为最成熟、最有效的电力在线检测手段,红外热像仪可以大大提高了供电设备运行的可靠性,大大降低了设备的检修时间,因此,随着我国经济的发展,其他内陆省份的电力行业也将使用红外热像仪,这为红外热像仪行业的发展提供巨大的发展空间。据统计,我国电力行业红外热像仪的总需求量约为 2.5万台,以平均每台售价8万元(目前售价约为10万元)计算,市场需求总额约为20亿元。

 

    在建筑行业,2006年11月1日,中国工程建设标准化协会批准实施《红外热像法检测建筑外墙饰面层脱粘结缺陷技术规程》,对红外热像仪在建筑行业的应用进行了规范。目前,我国建筑企业约为10万家,如果每家配备1台红外热像仪,则市场需求总量可达10万台,以平均每台售价10万元计算,市场需求额可达 100亿元。

 

 此外截止2006年末,我国制造业共有132万家企业。这些制造业如果利用红外热像仪做制程控制,则能大大提高企业的产品品质,如制造业中10%的大型企业配备红外热像仪,按每家企业配备一台红外热像仪来计算,则市场需求总量达到13.2万台,以每台售价10万元计算(目前售价为15万元)市场需求额可达132亿元。

 

    由于红外热成像仪的成本一直居高不下,其在国内安防领域的使用也只是从近2年的“平安城市”项目才开始的,但随着红外热成像仪的成本降低和国内甲方对安防系统性能需求的提高,其在国内的安防领域的需求量呈快速增长趋势。虽然国内红外热成像仪专业厂商的出现到今年已经有4-5年左右,但诸如浙江大立、武汉高德等著名红外热像仪厂商,将主要的产品研发和销售精力均放在了医疗测试和工业检测设备上,对安防用摄像机的重视程度不够。这就使得国内的红外热成像仪厂商在安防领域内的产品总体技术水平不高,产品单一,并且在安防行业内没有形成垄断型企业或龙头企业。

 

    视频报警系统进入中国最早在2005年底,当时随着奥运安防工程的进行国外的一些安防公司将视频报警系统引入中国,并开始了大范围的推广活动,希望可以借助奥运工程迅速占领市场,但由于其在国内处于新生事物的阶段,甲方对其功能普遍不了解,而且对其必要性也没有形成统一的认识,因此成功案例很少。但随着时间的推移,现在军队、武警和公安系统已经对视频报警系统形成了正确的认知,而且随着国内恐怖活动的增多,许多领域已经对其提出比较明确的使用意向,预计在 2009-2010年其在国内的销售额必将呈现爆发式增长。(曾聪)

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