基于红外成像信息融合技术节能系统的研究.docx

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1、基于红外成像信息融合技术节能系统的研究目录摘要1前言11 .主动式红外摄像头的结构和作原理12 .系统理论算法设计31. 1.软件设计32. 2.图像处理算法设计43 .实验及讨论54 .结论5参考文献6摘要基于红外成像，利用信息融合技术设计一种节能系统，将红外摄像头采集的图像经去噪、二值化等处理后，对人员的特征图像进行分析和识别，确定室内人员的位置和数量，并运用三帧差法对拍摄的图像进行处理可以得到清晰准确的物体运动图像。通过单片机控制照明灯的开启，从而实现对日光灯的智能控制，并实现绿色照明，能源的节约。关键词：红外图像；信息融合；图像处理；智能控制前言随着社会经济和科技的不断发展，人类对资源

2、的需求量越来越大，同时也伴随着许多能源的浪费现象，尤其在一些大型场所，于是节能控制成为近年来的关注重点，而利用已有的视频监控设备进行节能控制是一个很好的技术手段，通常我们会利用监控设备监视所需节能空间的人员、光线、温湿度的变化等信息，自动控制空调、照明及通风设备，在不影响正常使用的同时实现节能的目的。基于上述原因本文设计出一种智能的照明控制系统，包括信息采集及控制系统设计、光学系统设计和机械安装结构设计等三个部分。本系统通过检测出室内的人员数量、位置情况以及光照强度，对室内灯光进行合理控制，从而实现照明控制智能化。1 .主动式红外摄像头的结构和作原理自然界中任何物体的温度都高于绝对零度，会不断

3、向周围空间发射红外电磁能量。波长在0751000m范围内的红外光位于电磁波谱中微波光和可见光之间。这一光谱范围可进一步细分为短波红外(0761.5m)中波红外(1.55.6m)和长波红外(7.813.5m)常用的可见光成像系统无法检测红外波长范围内的能量信号，因此无法直接测量物体的温度信息。红外热像系统采集物体表面的红外辐射能量，经光学系统会聚，把接收的红外光波映射至二维的红外焦平面探测器(foca1p1anearrays,简称FPA)上。焦平面探测器中的单个像元中的吸收层接收到红外辐射能量后产生温度变化，进而导致非晶硅热敏电阻的阻值变化，最后，互补式金属氧化物半导体(comp1ementar

4、ymeta1-oxide-semiconductor,简称CMC)S)电路将热敏电阻阻值的变化转变为差分电流并进行积分放大，得到红外热焦平面阵列中单个像元的输出值。通过以上红外热成像技术，可以探测物体本身温度导致的红外热辐射，产生与景物热辐射分布相对应的红外热成像图像。红外焦平面探测器是红外热成像系统的核心部件，根据其成像原理和工作温度分为制冷和非制冷两类。制冷红外焦平面探测器基于光子探测原理进行红外辐射成像，具有极高的测温灵敏性，能准确地测量物体的绝对温度，且红外探测距离远。然而，制冷红外探测器的工作性能受环境温度变化影响严重。环境温度升高会导致探测器材料固有的热辐射能耗迅速增强，暗电流和噪

5、声的增大将严重降低探测器的性能，甚至无法正常工作成像。因此制冷探测器的正常工作温度在200K温度以下，通常需要用液氮制冷，导致其制作和维护成本昂贵，目前主要应用于高端军事装备。非制冷红外焦平面探测器能够在室温状态下工作，具有启动快、功耗低、体积小、重量轻、寿命长及成本低等诸多优点。目前，现有的非制冷红外焦平面探测器制作工艺可以精确捕捉微小的物体表面温度变化，例如基于氧化帆(VanadiUmOXide,简称VoX)热敏材料的非制冷红外焦平面探测器的单个成像元在25室温环境下可以测量到0.05C的温度变化。虽然非制冷红外焦平面探测器在测温灵敏度上与制冷器件尚有一定差距，但针对许多工业检测应用已经足

6、够，且性价比高，因此具有更加广阔的市场应用前景。红外热成像技术可以将光谱中不可见的红外辐射信号转化成为可见的二维图像，实现无光环境下的优秀成像，也可对物体表面温度进行非接触式的准确测量。红外热成像技术被广泛应用于军事和民用领域，如生物医疗、故障诊断、防火消防、智能驾驶及夜视安防等。然而红外热成像技术的发展也面临一些主要瓶颈制约问题，包括：a.信号采集系统中焦平面阵列传感器存在固定模式噪声干扰，严重影响红外图像信号的成像质量；b,红外探测器焦平面传感器制作工业复杂、成品率低、价格昂贵，制约了红外热成像技术的工业广泛应用；c.二维图像采集过程中降维映射导致信息损失，影响了基于红外温度信息进行设备状

7、态监测系统的性能。针对以上3个主要问题，文中分别阐述在红外信号固定模式噪声建模和除噪、红外信号特征重建、多源信息融合3个红外信号处理研究领域的最新科研进展。本系统采用的是主动式红外摄像头对室内的图像进行采集。主动式红外摄像头主要包括红外探照灯、视频采集卡、低照度CCD摄像机、PC机。通常情况下，首先通过红外探照灯朝目标发出一束近红外光，再由低照度CCD摄像机摄取照射到目标后反射回来的红外光，送至视频采集卡将该红外光信号变成相应的数字图像，并用计算机将图像显示出来，从而实现将不可见的红外线图像转换并增强为可见光像，该过程完成了光信号到电信号的转换1。本系统中的红外摄像头安放在室内，因此摄像头拍摄

8、图片时会受到室内日光灯的影响。为了降低日光灯对红外摄像头拍摄图像的影响，我们根据日光灯的光谱能量分布图，对红外摄像头进行改装，即在红外摄像头接收镜头前加装了一个滤波片（这里选用的是高纯高通透玻璃制成的红外滤镜，可见光截止，8001111184011111高透），并遮挡了摄像头的感应装置，经过红外滤光片进行光学滤波，这样摄像头就只能接收红外光线，日光灯发出的可见光就不会影响到摄像头拍摄的图像了。在白天，红外摄像头内部的滤光片会阻挡红外线进入CCD,让CCD只感应可见光；夜晚时，摄像头才会关闭滤光片，接收物体反射的红外线，同时也受可见光的影响。2 .系统理论算法设计2.1. 软件设计如图1,本系统

9、的软件是一个实时监控，检测和执行开关控制的控制软件。首先系统的光敏传感器感应周围环境的光照强度，当光照强度暗下来之后才将该系统打开。然后红外摄像头采集教室内的人员分布情况和人数，同时，温度传感器根据周围的气温，将信息传输给处理控制单元，单片机经过处理运算的结果来调节室内人员的分布密度并打开人员上方的照明设备23。图1系统工作流程图2.2.图像处理算法设计本系统在处理图像时采用的是三帧差分法。三帧差分法是对所记录的数字图像按连续的图像帧进行两两相减，即第2帧与第1帧的图像进行差分，第3帧与第2帧的图像进行差分，由此得到2幅差分图像都含有目标元素，通过对该2幅差分图像的运算和分析，便可得到基于目标

10、元素的特征图像4。三帧差分法的公式如(1)：3y)=3y)-(,y)4+(,y)-4(y)(D式中：/.(%,y),t(x,y),t+1(x,y)为图像序列当中连续三帧图像。三帧差算法演示图如图2所示。第k-1,k帧差分、/第k,帧差图像、/分图像、/相与运算后的图像图2三帧差算法演示图3 .实验及讨论实验时，选用的是自主改装的红外摄像头，在地面选取三个不同的位置，依次将物体放在三个位置上并拍摄图像处理。实验分为三组，每组都选择不同的三个地点进行拍摄，这样降低了实验误差。实验结果如图3所示。通过多次试验，我们最终得到了清晰准确的物体运动图像，并且背景图像不会对实验的结果有影响。实验结果表明，该

11、系统的图像处理系统是可以达到对实际物体准确检测、跟踪的效果。(a)第一帧图像(b)第二帧图像(C)第三帧图像(d)第一、二帧差分图像第二、三帧差分图像三帧差分图像图3实验图像处理结果4 .结论本文基于红外成像，利用信息融合技术设计一种节能系统，该系统以室内照明为例对系统各个部分进行详细的介绍。红外摄像头采集的图像经去噪、二值化等处理后，对人员的特征图像进行分析和识别，确定室内人员的位置和数量，并运用三帧差法对拍摄的图像进行处理可以得到清晰准确的物体运动图像。通过单片机控制照明灯的开启，从而实现室内日光灯的智能控制，实现绿色照明，能源的节约。参考文献1马红玉.基于图像处理技术的智能照明控制系统川.科技信息，2007(7)：80-81.2李震，邹绍源，颜旭，洪添胜.基于机器视觉技术的教室照明节能控制系统J计算机工程与技术，2012(4)：1648-1652.3付娜.红外图像的采集、增强与分割处理研究D.大连理工大学，2005.4朱秋煜，李琦铭，陈岳川.基于视差和帧差的图割优化运动目标分割算法J.电视技术，2012(13)：135-139.