一种人体特征红外消防探测仪的制作方法

本实用新型涉及一种红外探测仪器，尤其是采用红外专用技术用于消防的一种探测装置。

背景技术：

红外热成像技术具有操作简单有效、探测距离远不受电磁干扰、可在夜晚烟雾雨雪等恶劣环境使用等优点，但是由于消防领域的应用环境背景噪声复杂，多是高温、高湿和浓烟环境，在实际测量时,红外热成像测量精度会受被测物体表面的发射率、反射率、背景辐射、大气衰减、测量距离、环境温度、探测器灵敏度、噪声特征等因素的影响。通过红外热像仪迅速、准确、及时的捕捉寻找锁定被困人员、火源和危险源，仍有许多亟需解决的关键技术。

公元1800年，英国天文学家Friedrich Wilhelm Herschel发现了红外线，红外线是一种电磁波，位于可见光红光外端。在绝对零度(-273℃)以上的物体都辐射红外能量，其中包括波长0.7:1000μm的红外光波，红外光波具有很高的温度效应,这是红外热像技术的基础。从上世纪70年代至今，随着热成像系统和电荷耦合器件被成功应用，红外探测器技术的不断发展，以AGA、FLIR为红外热成像先进技术代表，先后形成了Agema ThermoVision750、FLIR Inframetrics Model 600、Agema ThermoVision 470、FLIR SC300、FLIR 600等红外热成像系统。红外热像技术早期应用于军事领域，随着世界经济的快速发展、红外技术的快速进步和产品成本的不断下降，在民用领域也取得了广泛应用。

消防领域是世界发达国家红外热像仪的最大民用市场，据不完全统计，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20万台^[1]。2011年10月1日实施的《城市消防站建设标准》建标152-2011，是由中华人民共和国公安部主编，中华人民共和国住房和城乡建设部和中华人民共和国国家发展和改革委员会批准，侦检类消防用红外热像仪的普通消防站抢险救援器材配备标准是1台，性能符合《消防用红外热像仪》GA/T635的要求，实现黑暗、浓烟环境中人员搜救或火源寻找^[2]。根据各地消防发展规划，未来全国范围内消防站数量将超万座，以广州市和上海市为例，根据广州市消防部门2015年公开的数据，全市有72座消防站，规划2020年布局312座^[3]；根据上海市消防“十二五”规划，到2015年底，全市公共消防站达到150个左右。

从1970年到2017年具有代表性的红外热成像系统，体积、重量、热灵敏度和分辨率是相对关键的技术参数，如图所示的改良率变化曲线，体积、重量和热灵敏度的改良率呈下降趋势，图像分辨率却呈现显著提高趋势，而且未来将具有更加广阔的发展空间。虽然红外热成像技术具有操作简单有效、探测距离远不受电磁干扰、可在夜晚烟雾雨雪等恶劣环境使用等优点，但是由于红外热像仪是窄带光谱辐射测温系统，使用其进行温度测量时所测得的物体表面温度，不是直接测量得到的，而是以测到的辐射能计算出来的。因此,实际测量时,测量精度受被测表面的发射率和反射率、背景辐射、大气衰减、测量距离、环境温度、探测器灵敏度、噪声特征等因素的影响^[6]。消防领域的应用环境背景噪声复杂，多是高温、高湿及浓烟环境，如何通过红外热像仪来迅速准确的找到被困人员或火源，仍有许多亟需解决的关键技术。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种在高温、高湿及浓烟环境中迅速准确的找到被困人员或火源的红外热像仪。

本实用新型的目的由如下技术方案实现。

一种人体特征红外消防探测仪，其特征在于所述探测仪包括：火情探测模块、人像探测模块、对比模块和显示模块；

所述火情探测模块采用连通区域面积阈值化Ostu算法；

所述人像探测模块采用梯度直方图特征HOG算法；

将所述火情探测模块和所述人像探测模块探测获得值与预设值对比，显示火情大小，显示人员生命体征。

进一步，所述连通区域面积阈值化Ostu算法，对像素进行划分，使类内差别最小确定分割阈，用Ostu算法确定的阈值进行二值化处理，在图像中得到一块块连通的区域，这些区域有的是物体部分，有的是噪声，把每一个连通的白色区域看作是一个集合，再对每一个集合进行分析，消除噪声，得到物体的轮廓。

进一步，所述梯度直方图特征HOG算法，对人体目标信息和运动信息形成特征集，用块对样本图像进行扫描，扫描步长为一个单元，将所有块的特征串联得到人体的特征。

火灾图像提取

在复杂的消防领域应用背景下，如何通过红外热像仪能够快速且准确地提取出火点目标，是一项急需解决的技术难题。目前，背景减除法、帧差法、光流法等是火灾火目标比较常用的方法，但在强噪声下这些方法易出现目标丢失或者错将噪声认为目标的现象，给消防的防治工作带来了很大的不利^[19]。

通过基于连通区域面积阈值化的算法Ostu实现火灾图像边缘检测和轮廓提取，的基本思想是对像素进行划分，通过划分使类内差别最小来确定分割阈。用Ostu算法确定的阈值进行二值化处理，在图像中可以得到一块块连通的区域，这些区域有的是物体部分，有的则是噪声。然后把每一个连通的白色区域看作是一个集合，再对每一个集合进行具体分析，消除噪声，得到物体的轮廓。

人体特征描述

在消防应用领域，如果是在火场环境中，由于环境温度高，红外视频中的人形形态容易受到环境因素的干扰，会导致不易分辨出人形特征。梯度直方图特征HOG是一种特征描述算子，可以对人体目标信息和运动信息形成丰富的特征，用块对样本图像进行扫描，扫描步长为一个单元。最后将所有块的特征串联起来，就得到了人体的特征。梯度直方图特征提取步骤可描述为：

1、将输入图像进行归一化处理，图像转为灰度图；

2、然后将图像分割成一定块数，称作细胞单元；

3、计算每个细胞单元的梯度大小方向；

4、得到每个单元的梯度方向组成一个图片的特征向量。

将所有块的特征串联起来，就得到了人体的特征。

本技术方案在消防领域，通过消防用红外热像仪来实现黑暗、浓烟环境中人员搜救或火源寻找。虽然红外热成像技术具有操作简单有效、不受电磁干扰探测距离远、可在夜晚烟雾雨雪等恶劣环境使用等优点，但是消防领域的应用环境背景多是噪声复杂，多是高温、高湿及浓烟环境，红外热像仪测量精度受被测表面的发射率和反射率、背景辐射、大气衰减、测量距离、环境温度、探测器灵敏度、噪声特征等因素的影响，本专利通过温度校准、火灾图像提取和人体特征描述等关键技术，其中包括基于连通区域面积阈值化的Ostu算法和梯度直方图特征HOG算法，实现被困人员和火源危险源的迅速准确及时的捕捉寻找锁定。

附图说明

图1为本实用新型一种人体特征红外消防探测仪的结构示意图；

图2为红外热像仪辐射原理；

图3为非制冷焦平面红外热像仪成像系统原理图框图；

图4为红外热像仪温度校准方法示意图；

图5为火情探测中火焰边缘检测及轮廓图。

具体实施方式

以下结合附图进一步详细说明本实用新型的结构。

一种人体特征红外消防探测仪，包括火情探测模块、人像探测模块、对比模块和显示模块；

所述火情探测模块采用连通区域面积阈值化Ostu算法；

所述人像探测模块采用梯度直方图特征HOG算法；

将所述火情探测模块和所述人像探测模块探测获得值与预设值对比，显示火情大小，显示人员生命体征。

所述连通区域面积阈值化Ostu算法，对像素进行划分，使类内差别最小确定分割阈，用Ostu算法确定的阈值进行二值化处理，在图像中得到一块块连通的区域，这些区域有的是物体部分，有的是噪声，把每一个连通的白色区域看作是一个集合，再对每一个集合进行分析，消除噪声，得到物体的轮廓。

所述梯度直方图特征HOG算法，对人体目标信息和运动信息形成特征集，用块对样本图像进行扫描，扫描步长为一个单元，将所有块的特征串联得到人体的特征。

梯度直方图特征提取步骤可描述为：

①将输入图像进行归一化处理，图像转为灰度图；

②然后将图像分割成一定块数，称作细胞单元；

③计算每个细胞单元的梯度大小方向；

④得到每个单元的梯度方向组成一个图片的特征向量。

为实施本专利，与之相关的技术介绍如下：

消防红外图像技术探测器，红外探测波段的选择需要综合考虑探测器、目标辐射、大气衰减、材料和成本等多种因素。消防用红外热像仪包括手持式和头盔式消防红外热像仪，是近距离探测应用，探测距离多在几十到2km之间，优先采用基于凝视器件的非制冷长波探测。

非制冷焦平面红外热成像系统，相对制冷型热成像系统，有无需制冷、体积小、操作简单、高性能和低价位等诸多优点^[8]。目前凝视焦平面面阵型探测器已取代扫描型探测器成为红外成像应用的主流。

测温原理，如图2所示，红外热像仪辐射原理，被测物体表面温度如公式(1)。

f(T₀')＝τ_a[εf(T₀)+(1-ε)f(T_u)]+(1-τ_a)f(T_a) (1)

式中：T₀——被测物体表面温度；

T_u——环境温度；

T_a——大气温度；

T'₀——热像仪指示的辐射温度；

ε——表面发射率；

τ_a——大气的光谱透射率。

红外热像仪不是直接测量物体表面温度，而是测量物体的红外辐射信号，然后对辐射信号进行线性化，根据所测得的能量计算出温度值。

原理框图，非制冷焦平面红外热像仪成像系统原理图框图如图3所示。非制冷焦平面红外热像仪成像系统主要由被测物体、光学镜头、探测器和监视器组成，其中的关键技术是图像处理。系统工作原理是，由光学镜头接受被测物体的红外辐射，将红外辐射能量分布图像反映到焦平面上的探测器阵列的各光敏元上，探测器将红外辐射能转换成电信号，经过处理的信号通过图像处理形成标准的视频信号，通过监视器显示被测物体的红外热图像。

温度校准,红外热像仪温度校准技术是根据参考黑体源的温度与红外热像仪数字输出之间的关系，建立起热像仪输出与温度曲线，参考黑体源的温度定标间隔越小，即标定的点越多，则温度测量越准。范春利、孙恋军、孙学金等对探测器温度对非制冷红外热像仪测温影响做了大量研究，认为对于非制冷红外热像仪来说，探测器的温度漂移对测温的影响很大。

如图4所示，红外热像仪温度校准方法。热像仪的校准采用标准黑体作为辐射源，用红外热像仪测量其辐射转换的辐射温度输出，红外热像仪与光阑的距离要大于镜头焦距，采用尽可能近的定标距离。