摘    要：  本文提出了一种基于VC0701和热释电红外传感器实现的人体检测系统的设计方法。该系统在高噪声环境下,尤其是户外,具有较高的人体识别率。
关键词：CMOS成像;红外传感;人体检测;太阳能

目前,大多数基于图像的安防设备都采用CCD或者CMOS传感器成像,后端DSP处理的模式,根据序列图像的差分运算进行人体检测。这种方法容易受到光线变化、树枝摆动、雨雪天气等外界因素的影响,经常产生虚警。为了消除上述干扰,需要特定的算法,从而增加了系统设计的复杂性。本文介绍了一种由红外传感器和CMOS摄像头实现的高性能、低成本的人体检测系统。此外,整个系统利用太阳能工作,还具有环保、节能的特点。

系统的工作原理
系统的结构如图1所示,当人体进入红外传感器的探测范围之后,红外传感器会发出一个高电平的报警信号,该信号经过红外信号处理器放大后送到CPLD中;CMOS成像芯片VC0701具有运动检测功能,在其视野范围之内,外部环境的任何变化都会触发报警信号。上述两个报警信号同时有效时,CPLD选通蜂鸣器发出警报;如果VC0701的图像输出被设置成数字格式,那么报警期间的图像数据将被存储在16MB的SDRAM中。

 图1  系统原理框图

器件的选型与系统设计
成像模块的设计
由于整个系统采用太阳能蓄电池供电,选择器件时,在保证性能的前提下,功耗要尽量的低。
本系统采用中星微公司的电视成像芯片VC0701。VC0701具有运动检测功能,集成了24万像素的CMOS 图像传感器,数字图像处理器,视频编码器和模数转换器。VC0701具有自动曝光,自动增益,自动白平衡和背光补偿等功能,支持多种视频图像输出格式。
芯片的工作参数既可以通过外部引脚的上拉或下拉设置,也可以通过E2PROM 或者I2C接口进行编程控制。
红外传感模块的
设计
人体的体温一般都恒定在37℃左右,辐射的红外线波长在10m左右。被动式热释电红外传感器由干涉滤光片、红外感应元和场效应管匹配器三部分组成。
干涉滤波片负责滤除来自灯光、阳光等的红外辐射,只允许特定波长范围内的红外辐射通过,并且把这些红外线聚集在红外感应元上。红外感应元为热释电物质,当它所接收到的人体红外辐射强度发生变化时,失去电荷平衡,开始向外释放电流。场效应管匹配器把电流信号转换成电压信号后输出。
红外感应有主动红外探测和被动红外探测两种,主动红外探测范围广,但成本较高。在本系统中,红外传感器选用的是NICERA公司的被动红外传感器RE46B。RE46B内部4个红外感应元串连,表面的菲涅尔透镜只允许波长范围为0.2-20m的红外线通过,在抑制环境温度扰动和光源干扰的同时,提高了对人体感应的灵敏度。RE46B特有全方位(Omni- directional)的结构,可以有效避免由小动物引发的虚警。RE46B的有效探测距离为8米。由于RE46B输出的报警信号非常弱,通常是振幅只有几个mV的脉冲信号,不能直接供后端使用。设计时,在RE46B和CPLD之间串接了一个红外传感信号处理器——BISS0001。
CPLD和SDRAM
本系统中,通过CPLD对VC0701进行设置,VC0701输出PAL制式的彩色电视信号,可直接输出至普通电视机上进行显示。CPLD还引出了8位的RGB/YCbCr数据线,场同步信号VSYNC,行同步信号HSYNC,像素时钟PCLK以及I2C总线接口,今后可以做进一步的数字图像处理。CPLD选用Altera公司的MaxII EPM240,EPM240采用TQFP封装,可用I/O端口80个,兼容1.5/1.8/2.5/3.3V。
当人体处于红外传感器的探测范围内时,由RE46B发出的报警信号经过BISS0001放大,比较后送至CPLD中;此时由VC0701产生的运动检测信号也进入到CPLD中。两路报警信号“与”之后,驱动蜂鸣器发出警报。如果VC0701输出的为数字图像,则在报警期间,图像数据将被保存在SDRAM中。容量为16MB的SDRAM最多可存储16M/(514×484)=67幅图像,这些图像可以通过CPLD预留的数据端口进行访问。

结语
本系统利用VC0701和被动热释电红外传感器RE46B协同工作进行人体检测。基于图像内容进行运动检测的VC0701,解决了红外传感器在外界温度接近人体温度时的虚警问题;而基于人体温度进行检测的RE46B,则有效地克服了由外界光线,扰动等非人为因素所引发的VC0701虚警问题。VC0701灵活的配置方式和丰富的视频输出格式大大降低了开发的难度与成本。试验结果表明,本系统对于半径6m以内的人体目标,检测准确率在90%以上。尤其在户外,不仅准确率比普通基于DSP的人体检测设备要高,还能检测出静止的或者运动速率较低的人体目标。