基于VC0701與紅外技術(shù)的人體檢測系統設計

摘要： 本文提出了一種基于VC0701和熱釋電紅外傳感器實(shí)現的人體檢測系統的設計方法。該系統在高噪聲環(huán)境下，尤其是戶(hù)外，具有較高的人體識別率。
關(guān)鍵詞：CMOS成像；紅外傳感；人體檢測；太陽(yáng)能

目前，大多數基于圖像的安防設備都采用CCD或者CMOS傳感器成像，后端DSP處理的模式，根據序列圖像的差分運算進(jìn)行人體檢測。這種方法容易受到光線(xiàn)變化、樹(shù)枝擺動(dòng)、雨雪天氣等外界因素的影響，經(jīng)常產(chǎn)生虛警。為了消除上述干擾，需要特定的算法，從而增加了系統設計的復雜性。本文介紹了一種由紅外傳感器和CMOS攝像頭實(shí)現的高性能、低成本的人體檢測系統。此外，整個(gè)系統利用太陽(yáng)能工作，還具有環(huán)保、節能的特點(diǎn)。

系統的工作原理
系統的結構如圖1所示，當人體進(jìn)入紅外傳感器的探測范圍之后，紅外傳感器會(huì )發(fā)出一個(gè)高電平的報警信號，該信號經(jīng)過(guò)紅外信號處理器放大后送到CPLD中；CMOS成像芯片VC0701具有運動(dòng)檢測功能，在其視野范圍之內，外部環(huán)境的任何變化都會(huì )觸發(fā)報警信號。上述兩個(gè)報警信號同時(shí)有效時(shí)，CPLD選通蜂鳴器發(fā)出警報；如果VC0701的圖像輸出被設置成數字格式，那么報警期間的圖像數據將被存儲在16MB的SDRAM中。

圖1 系統原理框圖

器件的選型與系統設計
成像模塊的設計
由于整個(gè)系統采用太陽(yáng)能蓄電池供電，選擇器件時(shí)，在保證性能的前提下，功耗要盡量的低。

本系統采用中星微公司的電視成像芯片VC0701。VC0701具有運動(dòng)檢測功能，集成了24萬(wàn)像素的CMOS 圖像傳感器，數字圖像處理器，視頻編碼器和模數轉換器。VC0701具有自動(dòng)曝光，自動(dòng)增益，自動(dòng)白平衡和背光補償等功能，支持多種視頻圖像輸出格式。

芯片的工作參數既可以通過(guò)外部引腳的上拉或下拉設置，也可以通過(guò)E2PROM 或者I2C接口進(jìn)行編程控制。

紅外傳感模塊的設計
人體的體溫一般都恒定在37℃左右，輻射的紅外線(xiàn)波長(cháng)在10m左右。被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器由干涉濾光片、紅外感應元和場(chǎng)效應管匹配器三部分組成。

干涉濾波片負責濾除來(lái)自燈光、陽(yáng)光等的紅外輻射，只允許特定波長(cháng)范圍內的紅外輻射通過(guò)，并且把這些紅外線(xiàn)聚集在紅外感應元上。紅外感應元為熱釋電物質(zhì)，當它所接收到的人體紅外輻射強度發(fā)生變化時(shí)，失去電荷平衡，開(kāi)始向外釋放電流。場(chǎng)效應管匹配器把電流信號轉換成電壓信號后輸出。

紅外感應有主動(dòng)紅外探測和被動(dòng)紅外探測兩種，主動(dòng)紅外探測范圍廣，但成本較高。在本系統中，紅外傳感器選用的是NICERA公司的被動(dòng)紅外傳感器RE46B。RE46B內部4個(gè)紅外感應元串連，表面的菲涅爾透鏡只允許波長(cháng)范圍為0.2-20m的紅外線(xiàn)通過(guò)，在抑制環(huán)境溫度擾動(dòng)和光源干擾的同時(shí)，提高了對人體感應的靈敏度。RE46B特有全方位(Omni- directional)的結構，可以有效避免由小動(dòng)物引發(fā)的虛警。RE46B的有效探測距離為8米。由于RE46B輸出的報警信號非常弱，通常是振幅只有幾個(gè)mV的脈沖信號，不能直接供后端使用。設計時(shí)，在RE46B和CPLD之間串接了一個(gè)紅外傳感信號處理器――BISS0001。

CPLD和SDRAM
本系統中，通過(guò)CPLD對VC0701進(jìn)行設置，VC0701輸出PAL制式的彩色電視信號，可直接輸出至普通電視機上進(jìn)行顯示。CPLD還引出了8位的RGB/YCbCr數據線(xiàn)，場(chǎng)同步信號VSYNC，行同步信號HSYNC，像素時(shí)鐘PCLK以及I2C總線(xiàn)接口，今后可以做進(jìn)一步的數字圖像處理。CPLD選用Altera公司的MaxII EPM240，EPM240采用TQFP封裝，可用I/O端口80個(gè)，兼容1.5/1.8/2.5/3.3V。

當人體處于紅外傳感器的探測范圍內時(shí)，由RE46B發(fā)出的報警信號經(jīng)過(guò)BISS0001放大，比較后送至CPLD中；此時(shí)由VC0701產(chǎn)生的運動(dòng)檢測信號也進(jìn)入到CPLD中。兩路報警信號“與”之后，驅動(dòng)蜂鳴器發(fā)出警報。如果VC0701輸出的為數字圖像，則在報警期間，圖像數據將被保存在SDRAM中。容量為16MB的SDRAM最多可存儲16M/(514484)=67幅圖像，這些圖像可以通過(guò)CPLD預留的數據端口進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

結語(yǔ)
本系統利用VC0701和被動(dòng)熱釋電紅外傳感器RE46B協(xié)同工作進(jìn)行人體檢測。基于圖像內容進(jìn)行運動(dòng)檢測的VC0701，解決了紅外傳感器在外界溫度接近人體溫度時(shí)的虛警問(wèn)題；而基于人體溫度進(jìn)行檢測的RE46B，則有效地克服了由外界光線(xiàn)，擾動(dòng)等非人為因素所引發(fā)的VC0701虛警問(wèn)題。VC0701靈活的配置方式和豐富的視頻輸出格式大大降低了開(kāi)發(fā)的難度與成本。試驗結果表明，本系統對于半徑6m以?xún)鹊娜梭w目標，檢測準確率在90%以上。尤其在戶(hù)外，不僅準確率比普通基于DSP的人體檢測設備要高，還能檢測出靜止的或者運動(dòng)速率較低的人體目標。