高端商業(yè)攝像機之所以稱為高端，是因為相對普通攝像機而言有其得天獨厚的技術(shù)優(yōu)勢，比如紅外熱成像技術(shù)的助力。本文便是重點講敘紅外熱成像技術(shù)在商用攝像機上的應(yīng)用、其相對于普通攝像機的種種優(yōu)勢以及其未來技術(shù)的發(fā)展趨勢。

　　紅外熱成像技術(shù)基礎(chǔ)知識

　　紅外熱成像的技術(shù)原理盡管相對復(fù)雜，但也并非不可言說，本文首先試著從熱輻射的產(chǎn)生、傳播、采集、熱紅外線、熱成像的原理以及熱成像技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)等方面來進行紅外熱成像技術(shù)基礎(chǔ)知識的普及。

　　熱輻射的產(chǎn)生

　　自然界中，一切高于絕對零度(-273℃)的物質(zhì)每時每刻源源不斷地向外輻射與自身性質(zhì)、溫度相關(guān)的電磁波，我們稱這一現(xiàn)象為熱輻射現(xiàn)象。不同溫度下，物體所發(fā)出熱輻射的波長不一樣：

　　37℃的人體，最大輻射出現(xiàn)在約9.3μm處;

　　300℃的饒鐵，最大輻射出現(xiàn)在約5.6μm處;

　　5500℃的太陽，最大輻射出現(xiàn)在約0.5μm處，此時熱輻射表現(xiàn)為可見光。

　　熱紅外線

　　通常我們?nèi)搜劭筛兄姶挪ǖ牟ㄩL(可見光)在400到700納米之間，作為監(jiān)控輔助照明的紅外波長在850納米，而波長從2.0～1000微米的部分稱為熱紅外線。 我們周圍的物體只有當(dāng)它們的溫度高達1000℃以上時，才能夠發(fā)出可見光。相比之下，我們周圍所有溫度在絕對零度(-273℃)以上的物體，都會不停地發(fā)出熱紅外線。所以，熱紅外線(或稱熱輻射)是自然界中存在最為廣泛的輻射。紅外輻射與光波和無線電波一樣，是一種電磁波。

　　熱輻射的傳播

　　熱輻射的紅外線是一種電磁波，具有電磁波的一切物理特性, 電磁波在穿過大氣層時，會受到大氣層的反射、吸收和散射，因而使透過大氣層的電磁波能量受到衰減，電磁波通過大氣層較少被反射、吸收和散射的那些透射率高的波段成為大氣窗口，大氣窗口的光譜段主要有:微波波段(300-1GHz)、熱紅外波段(8-14μm)、中紅外波段(3.5-4μm)、可見光和近紅外波段(0.4-2.5μm)。

　　紅外線根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域可劃分為四個更小的波段：

　　近紅外線波段：0.75μm—3μm;

　　中紅外線波段：3μm—6μm;

　　遠紅外線波段：6μm—15μm;

　　極遠紅外線波段：15μm—1000μm。

　　目前商業(yè)領(lǐng)域中常用的熱成像儀有8μm—14μm的長波熱像儀和3μm—5μm的短波熱像儀以及一些針對特殊應(yīng)用的熱像儀。

　　熱輻射的采集

　　特殊材質(zhì)的鏡頭：高純鍺單晶具有高的折射系數(shù)，對紅外光透明，不透過可見光和紫外線。

　　熱紅外探測器：熱紅外探測器是熱成像攝像機的心臟，主要功能是將紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，探測器分為制冷型、非制冷型兩種。

　　制冷型：以光伏探測器為基礎(chǔ)，基于光子探測，集成低溫制冷器，用于給探測器降溫，這樣是為了使熱噪聲的信號低于成像信號，制冷型探測器成像質(zhì)量優(yōu)秀，造價昂貴，體積較大;

　　非制冷型：以微測輻射熱計為基礎(chǔ)，基于熱探測，主要有多晶硅和氧化釩兩種探測器，非制冷型探測器成像質(zhì)量較好，造價較低，體積小。

　　·普通攝像機：采集可見光波段(0.4μm-0.76μm)、近紅外波段(0.76μm-1μm)的光。

　　·被動式紅外熱成像攝像機：采集熱紅外波段(8μm-14μm)的光。

　　熱成像原理

　　熱成像攝像機的探測機理是利用目標(biāo)和背景或目標(biāo)各部分之間的輻射差異形成的紅外輻射特征圖像來發(fā)現(xiàn)和識別目標(biāo)。

　　紅外探測器輸出的圖像通常稱為“熱圖像”，由于不同物體甚至同一物體不同部位的輻射能力和它們對紅外線的反射強弱不同，利用物體與背景環(huán)境的輻射差異以及景物本身各部分輻射的差異，熱圖像能夠呈現(xiàn)景物各部分的輻射起伏，從而能顯示出景物的特征。

　　同一目標(biāo)的熱圖像和可見光圖像是不同，它不是人眼所能看到的可見光圖像，而是目標(biāo)表面溫度分布圖像，或者說，紅外熱圖像是把人眼不能直接看到目標(biāo)的表面溫度分布，變成人眼可以看到的代表目標(biāo)表面溫度分布的熱圖像。

　　熱成像的關(guān)鍵技術(shù)

　　被測目標(biāo)通過傳感器所采集到的數(shù)據(jù)，通過處理電路產(chǎn)生一種景物的熱圖像。紅外成像是唯一一種可以將熱信息瞬間可視化，并加以驗證的診斷技術(shù),將不可見的輻射圖像轉(zhuǎn)變?yōu)槿搜劭梢姷?、清晰的圖像。

　　熱成像與可見光成像對比

　　成像方式對比

　　普通攝像機(被動式)：通過采集場景中的可見光，從而生成圖像。

　　紅外攝像機(主動式)：借助紅外發(fā)射燈主動發(fā)射紅外光，通過采集場景中原有的光線及反射回來的紅外光，從而生成圖像。

　　熱成像攝像機(被動式)：探測并采集被測場景中發(fā)出的紅外熱輻射，從而生成圖像。見表1

　　熱成像攝像機介紹

　　熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)紅外熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機性能，其具備的幾大特點介紹如下。

　　探測能力強

　　紅外熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機不但能在全黑的環(huán)境下工作，同時還可在強光、逆光、眩光的監(jiān)控環(huán)境下運轉(zhuǎn)自如，此外，煙、霧、雨、雪、沙塵對其的影響也很有限，其探測能力之強絕非是一般攝像機可比擬的。

　　探測距離遠

　　相對于普通攝像機而言，熱成像攝像機擁有更遠的探測距離，見表2。

　　溫度辨識功能

　　熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機通過探測不同溫度物體發(fā)出的不同波長的紅外熱輻射，從而辨識物體表面的溫度，見圖2。

　　此外，熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機也同樣繼承了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)攝像機的優(yōu)良特性，如采用H.264編碼技術(shù)、全實時網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、可擴展接入標(biāo)準(zhǔn)平臺軟件、有線/無線網(wǎng)絡(luò)傳輸功能、支持SD卡本地存儲，支持PoE網(wǎng)絡(luò)傳輸以及智能分析功能等等，通常傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)攝像機所具備的功能，熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機大多也同樣具備。

　　紅外熱成像技術(shù)的缺點

　　圖像對比度低，分辨細節(jié)能力較差：由于紅外熱成像儀靠溫差成像，而一般目標(biāo)溫差都不大，因此紅外熱圖像對比度低，使分辨細節(jié)能力變差;

　　不能透過透明的障礙物看清目標(biāo)：由于紅外熱成像儀靠溫差成像，而像窗戶玻璃這種透明的障礙物，使紅外熱成像儀探測不到其后物體的溫差，因而不能透過透明的障礙物看清目標(biāo);

　　成本高、價格貴：目前紅外熱成像儀的成本仍是限制它廣泛使用的最大因素，但一些新型的非制冷紅外焦平面陣列探測器的出現(xiàn)，提供了一種以低成本獲得高分辨力、高可靠性器件的有效手段。隨著科技的發(fā)展，關(guān)鍵技術(shù)的突破，同時伴隨加工效率的提升，今后紅外熱成像攝像機的成本將會大大降低。

　　熱成像攝像機應(yīng)用

　　尤其是針對一些特殊的應(yīng)用場所，如在惡劣天氣下的24小時全天候監(jiān)控、邊防與周界入侵自動報警、火災(zāi)隱患的自動識別、被遺棄的行李和包裹等遺留物體檢測、盜竊贓物查找、被埋尸體查找、公共場所的反恐監(jiān)控等等，若利用紅外熱成像技術(shù)作智能視頻監(jiān)控探測與識別，會更方便和容易，其應(yīng)用效果如圖3所示。

　　結(jié)語

　　來自HIS《視頻監(jiān)控全球市場2013年度白皮書》的報道，未來幾年，熱成像攝像機的市場將會更加開放，價格也會大幅下降。雖然熱成像技術(shù)一直運用在商業(yè)安保中，不過還是未被商業(yè)化。2014年，其競爭將會愈發(fā)激烈，同時新產(chǎn)品與新終端市場也會有新的突破。未來，熱成像攝像機在商業(yè)安防市場將面臨更大的機遇，同時也伴隨著各種挑戰(zhàn)。