一、紅外熱成像技術(shù)原理簡(jiǎn)介

紅外熱成像系統(tǒng)是將物體的紅外輻射聚焦到非制冷紅外焦平面探測(cè)器(簡(jiǎn)稱(chēng)紅外探測(cè)器)上，紅外探測(cè)器將強(qiáng)弱不等的紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電能信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、過(guò)濾和視頻信號(hào)處理，形成可觀察的視頻圖像。

不同物體甚至同一物體不同部位輻射能力和它們對(duì)紅外線的反射強(qiáng)弱不同，利用物體與背景環(huán)境的輻射差異，以及物體本身各部分輻射的差異，熱成像能夠呈現(xiàn)物體各部分的輻射不同，從而能顯示出物體的特征。它不是人眼所見(jiàn)的可見(jiàn)光圖像，而是目標(biāo)物體表面溫度分布圖像，或者說(shuō)，紅外熱成像是把人眼不能直接看到目標(biāo)物體表面溫度分布，轉(zhuǎn)變成了可以看到的熱成像圖像。

紅外熱成像系統(tǒng)成像時(shí)，目標(biāo)物體的某個(gè)單位面積與圖像的某一像素相對(duì)應(yīng)，像素的色彩值就是熱像儀輸出的視頻信號(hào)電壓。

成像分辨率是衡量紅外熱成像系統(tǒng)紅外探測(cè)器優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)，它表示了紅外焦平面探測(cè)器上有多少個(gè)單位探測(cè)單元，現(xiàn)階段常用像素規(guī)格為： 160×120，320×240， 384×288

二、紅外熱成像特性分析

自然界中，任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)發(fā)出紅外輻射，物體表面溫度決定了輻射能量大小，輻射能量與紅外熱成像系統(tǒng)成像色彩值關(guān)系緊密。

在紅外熱成像圖像里，系統(tǒng)將探測(cè)到的紅外輻射強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，不同的電壓呈現(xiàn)為相應(yīng)的色彩值顯示成圖像，色彩值是被用來(lái)直觀呈現(xiàn)不同溫度區(qū)域。

在高濕度環(huán)境中，空氣中的水汽會(huì)吸收和散射部分紅外輻射，導(dǎo)致紅外熱成像設(shè)備接收到的來(lái)自目標(biāo)物體的紅外輻射強(qiáng)度減弱，那么對(duì)應(yīng)物體顯示的色彩值可能就比實(shí)際溫度對(duì)應(yīng)的色彩值要低。不同材質(zhì)的物體表面發(fā)射率不同，發(fā)射率越高的物體，在相同溫度下發(fā)出的紅外輻射越強(qiáng)。黑色粗糙表面的物體發(fā)射率較高，白色光滑表面的物體發(fā)射率相對(duì)較低。同一物體，表面狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，發(fā)射率也會(huì)改變，進(jìn)而影響溫度和色彩的關(guān)系。同一物體，輻射角度發(fā)生變化時(shí)，發(fā)射率也會(huì)改變，進(jìn)而也會(huì)影響溫度和色彩的關(guān)系。

三、防溺水系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景

防溺水系統(tǒng)有三種應(yīng)用場(chǎng)景，識(shí)別判斷三種場(chǎng)景下的人員安全。三種不同的場(chǎng)景采用不同的防溺水系統(tǒng)。

1、禁止游泳的水域

這個(gè)場(chǎng)景下的水域情況復(fù)雜危險(xiǎn)，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)管理人員，為保護(hù)人民群眾的生命安全，禁止人員下水游泳。在這個(gè)場(chǎng)景下的防溺水系統(tǒng)采用可見(jiàn)光攝像機(jī)+紅外熱成像攝像機(jī)組成，設(shè)置區(qū)域周界劃定，系統(tǒng)一旦發(fā)現(xiàn)人員進(jìn)入報(bào)警區(qū)域，就能現(xiàn)場(chǎng)提醒及遠(yuǎn)程平臺(tái)報(bào)警。這類(lèi)防溺水系統(tǒng)不是用于識(shí)別判斷人員正常游泳還是游泳中出現(xiàn)了溺水的情況，只是識(shí)別判斷有沒(méi)有人進(jìn)入到危險(xiǎn)區(qū)域。這種場(chǎng)景下的水域夜晚沒(méi)有照明，采用紅外熱成像攝像機(jī)可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)的監(jiān)控，但由于熱成像的像素較低，黑夜僅僅通過(guò)熱成像識(shí)別，會(huì)把一些動(dòng)物誤識(shí)別成人體，產(chǎn)生誤報(bào)。

這類(lèi)帶有紅外熱成像的防溺水系統(tǒng)的主要廠家有海康威視、浙江大華等，系統(tǒng)較成熟，應(yīng)用于禁止游泳的自然水域。

2、允許游泳的自然水域

這個(gè)場(chǎng)景下的水域一般為海濱浴場(chǎng)或是水質(zhì)環(huán)境優(yōu)良的江河湖泊，具有各種滿足游泳的安全設(shè)施，現(xiàn)場(chǎng)一般有管理人員。在這個(gè)場(chǎng)景下的防溺水系統(tǒng)需要識(shí)別每個(gè)游泳人員的狀態(tài)，是處于正常游泳的狀態(tài)還是危險(xiǎn)的狀態(tài)。這就需要實(shí)時(shí)地連續(xù)地獲取每個(gè)游泳人員的狀態(tài)。

這種場(chǎng)景下的防溺水系統(tǒng)可以采用智能穿戴式或是AI視覺(jué)類(lèi)的防溺水系統(tǒng)。

3、專(zhuān)業(yè)的室內(nèi)外游泳池、游泳場(chǎng)館

這個(gè)場(chǎng)景是指室內(nèi)外人工建造的游泳池，這類(lèi)游泳池具有建筑標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)透明度高，燈光光照有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，能清晰得看到游泳池中各個(gè)位置的游泳人員。在這個(gè)場(chǎng)景下的防溺水系統(tǒng)需要識(shí)別每個(gè)游泳人員的狀態(tài)，是處于正常游泳的狀態(tài)還是危險(xiǎn)的狀態(tài)。這就需要實(shí)時(shí)地連續(xù)地獲取每個(gè)游泳人員的狀態(tài)。

在這種專(zhuān)業(yè)室內(nèi)外游泳池場(chǎng)景的防溺水系統(tǒng)可以采用智能穿戴式或是AI視覺(jué)類(lèi)的防溺水系統(tǒng)。在這種游泳池的場(chǎng)景下，首推AI視覺(jué)防溺水系統(tǒng)，該類(lèi)系統(tǒng)不需要游泳人員穿戴設(shè)備。

四、紅外熱成像技術(shù)在防溺水應(yīng)用場(chǎng)景中的有效性分析

基于紅外熱成像系統(tǒng)特性，從應(yīng)用場(chǎng)景特性、判別邏輯、圖像內(nèi)容分析、設(shè)備性能影響多個(gè)方面有效性分析。

（1）不同防溺水場(chǎng)景下的識(shí)別內(nèi)容及判別邏輯不同

禁止游泳的水域只是判斷人員是否進(jìn)入報(bào)警區(qū)域。在這個(gè)場(chǎng)景中，紅外熱成像是適合的技術(shù)。圖像內(nèi)容分析是基于禁止/非禁止區(qū)域識(shí)別，劃分禁止/非禁止周界區(qū)域，對(duì)進(jìn)入禁止區(qū)域的人員實(shí)時(shí)進(jìn)行預(yù)警處置，核心為識(shí)別人員所處在的位置信息是否位于禁止區(qū)域。當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入到危險(xiǎn)區(qū)域（水域）時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，而無(wú)需識(shí)別判斷人員的游泳行為、游泳姿態(tài)。這種場(chǎng)景下的水域夜晚沒(méi)有照明，采用紅外熱成像攝像機(jī)可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)的監(jiān)控，非常適用于禁止游泳的池、塘、河、湖、江、庫(kù)堤、岸、水邊區(qū)域的大范圍防溺水監(jiān)測(cè)應(yīng)用。但由于熱成像的像素較低，黑夜僅僅通過(guò)熱成像識(shí)別，會(huì)把一些動(dòng)物誤識(shí)別成人體，產(chǎn)生誤報(bào)。

在可以游泳的水域（自然水域、專(zhuān)業(yè)室內(nèi)外游泳池）是要識(shí)別判斷人員在游泳的過(guò)程中是否安全。在這個(gè)場(chǎng)景下的防溺水系統(tǒng)需要識(shí)別每個(gè)游泳人員的狀態(tài)，是處于正常游泳的狀態(tài)還是危險(xiǎn)的狀態(tài)。游泳人員是否危險(xiǎn)狀態(tài)的核心邏輯判斷如下：連續(xù)識(shí)別判斷游泳人體是否處于水中，有沒(méi)有正常的游泳動(dòng)作，有沒(méi)有位移量。游泳場(chǎng)景下的防溺水系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)地連續(xù)地獲取每個(gè)游泳人員的狀態(tài)進(jìn)行判斷。當(dāng)人體在水中時(shí)，水對(duì)人體熱量阻檔，紅外熱成像無(wú)法獲得人體圖像，系統(tǒng)就無(wú)法識(shí)別到游泳人員在水中的狀態(tài)，無(wú)法知道是正常游泳還是存在危險(xiǎn)情況。如果人體進(jìn)入水中失去熱成像圖像就進(jìn)行報(bào)警的話，那這個(gè)報(bào)警系統(tǒng)就亂套了，誤報(bào)會(huì)多到根本無(wú)法正常使用，失去系統(tǒng)的價(jià)值。應(yīng)用于游泳的防溺水系統(tǒng)，就是要判斷人在水中的狀態(tài)，要對(duì)游泳人員連續(xù)跟蹤識(shí)別判斷游泳狀態(tài)，這是針對(duì)游泳場(chǎng)景的防溺水系統(tǒng)的核心。這點(diǎn)恰恰是紅外熱成像無(wú)法做到的，在應(yīng)用于游泳場(chǎng)景的防溺水系統(tǒng)中，熱成像技術(shù)沒(méi)有使用意義，連輔助的作用也沒(méi)有，因?yàn)槿梭w進(jìn)入水中就沒(méi)有熱成像圖像的人體目標(biāo)了，而這正是游泳場(chǎng)景中的防溺水系統(tǒng)需要獲得的關(guān)鍵信息。

在應(yīng)用于游泳場(chǎng)景的防溺水系統(tǒng)中，藍(lán)豚安全科技的藍(lán)豚智能防溺水系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)連續(xù)跟蹤每個(gè)游泳人員，跟蹤識(shí)別每個(gè)游泳人員的行為動(dòng)作、姿態(tài)、行為軌跡是否有疑似溺水的狀態(tài)，實(shí)時(shí)判斷每個(gè)游泳人員是否存在危險(xiǎn)，不丟目標(biāo)，報(bào)警準(zhǔn)確率高，應(yīng)用多個(gè)場(chǎng)館，客戶反饋真實(shí)有效不作假。

（2）?溫差識(shí)別失效?

如果將熱成當(dāng)人體軀干或局部浸水時(shí)，體表溫度迅速與水溫趨同，導(dǎo)致熱成像技術(shù)難以捕捉有效信號(hào)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，此時(shí)紅外成像的溫差對(duì)比度會(huì)下降至原始值的33%。尤其在游泳場(chǎng)景中，若溺水者僅頭部浮出水面，其體表溫度與水面溫差進(jìn)一步縮小，可能直接導(dǎo)致系統(tǒng)漏檢，從而丟失目標(biāo)。此特性說(shuō)明熱成像不適用于游泳場(chǎng)景的防溺水技術(shù)。

（3）?空間分辨率不足?

現(xiàn)有熱像儀普遍采用320×240像素的低分辨率傳感器。在50米標(biāo)準(zhǔn)泳池中，單個(gè)像素對(duì)應(yīng)的實(shí)際面積達(dá)16.3cm2，整個(gè)人體就是幾個(gè)像素點(diǎn)，無(wú)法精準(zhǔn)識(shí)別溺水者身體部位、面部朝向、肢體動(dòng)作等關(guān)鍵特征。例如，頭部口鼻持續(xù)浸沒(méi)在水里的溺水狀態(tài)可能被誤判為正常在水面上。此特性說(shuō)明熱成像不適用于游泳場(chǎng)景的防溺水技術(shù)。

（4）?環(huán)境干擾嚴(yán)重?

泳池環(huán)境的高濕度（常＞85%）對(duì)8-14μm波段紅外線吸收率達(dá)62%，造成熱成像信號(hào)衰減。測(cè)試表明，此類(lèi)環(huán)境下人體識(shí)別準(zhǔn)確率會(huì)下降71%。此外，水面波動(dòng)、強(qiáng)光反射或漂浮雜物（如泳圈、衣物）也會(huì)干擾熱成像算法的判斷，導(dǎo)致誤報(bào)率上升。此特性說(shuō)明熱成像不適用于游泳場(chǎng)景的防溺水技術(shù)。

綜上所述，防溺水系統(tǒng)一種是應(yīng)用于禁止游泳的水域，一種是應(yīng)用于游泳場(chǎng)景（允許游泳的自然水域、室內(nèi)外游泳池、游泳館）。

紅外熱成像的防溺水系統(tǒng)應(yīng)用在禁止游泳的水域中，與可見(jiàn)光攝像視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合，可形成全天侯禁止游泳的室外水域防溺水預(yù)警防護(hù)體系，在禁止游泳的池、塘、河、湖、水庫(kù)的水域邊界的安全管理中發(fā)積極作用。

經(jīng)過(guò)專(zhuān)家技術(shù)驗(yàn)證及實(shí)地勘察案例，紅外熱成像技術(shù)不能應(yīng)用于游泳場(chǎng)景的防溺水系統(tǒng)，其特性決定了無(wú)法有效識(shí)別水中的人體，無(wú)法連續(xù)跟蹤識(shí)別判斷水中人體的游泳狀態(tài)，紅外熱成像技術(shù)在游泳場(chǎng)景中無(wú)法起到輔助的作用。