基于熱釋電紅外傳感器的人體跟蹤與識別新方法的研究.pdf

1、隨著科技的發(fā)展和社會的進步，當地政府也在積極開展“智慧城市”建設，并對這個概念賦予了更多的定義，其中人體是這個概念的主體，“智慧城市”中所有的主體分支都是為人服務的，對人體的監(jiān)測變成了這個系統(tǒng)中不可缺少的一部分。而熱釋電紅外探測器可精確的檢測到人體熱紅外信息，這一特性將會使該類型傳感器成為對人體狀態(tài)監(jiān)測最常見的傳感器之一。現階段，步態(tài)、指紋、臉型、虹膜以及聲音等常作為人體生物主要特征應用于各種識別場所，促使圖像和視頻系統(tǒng)成為了人體特征分

2、析的主要手段之一。然而各種成像設備價格昂貴,并且檢測及識別算法復雜度高，運算量大。在某些環(huán)境和應用場合，并不能發(fā)揮它應有的作用，而熱釋電紅外傳感器作為一種性價比較高的感知器，可采集運動人體的熱紅外特征，并可利用該特征作為人體跟蹤與識別的依據。應用于視頻系統(tǒng)不能正常工作以及特殊的場合。熱釋電紅外(Pyroelectric infrared，PIR)傳感器對人體的紅外輻射(8~14μm)具有非常好的探測能力，由于它具有體積小，功耗低，成本低

3、等優(yōu)點。所以可以以無線傳感網絡的方式分布到各種環(huán)境中，同時通過對傳感器輸出信號特征的分析以及感應空間的設計，可實現人體目標的跟蹤與識別。本文緊緊圍繞人體目標跟蹤與識別及應用這一主題，并針對現有基于熱釋電技術在人體跟蹤過程中所表現出的跟蹤精度和抗干擾性較差，計算復雜度較高以及在對人體身份識別的過程中所表現出的識別可靠性較差，準確度不高等問題。開展了以下幾個方面的研究工作：
　?。?）由于單孔數據采集模塊和多孔數據采集模塊所感應的單波

4、形人體熱紅外信息和多波形人體熱紅外信息會受多種物理因素的影響，針對這些影響因素，提出了五種單波形特征，并利用這五種特征分析了不同物理因素影響下單波形人體熱釋電信息形成的機理和規(guī)律，同時由于多波形特征在時域變化較為復雜，將時域變化的波形特征映射到頻域，然后使用成熟的識別算法得出了不同物理影響因素的相關規(guī)律，即：較近的移動距離、較小的人體體型、較快的移動速度、較多的信號調制孔以及采集模塊合適的高度可提高對人體身份的識別效果。
　　對單

5、波形熱釋電信號和多波形熱釋電信號的研究有助于我們更加清晰的理解人體熱釋電信號形成的機理，并為基于熱釋電傳感器其它方面的研究和應用提供理論依據。
　?。?）在人體跟蹤方面，由于現有的基于熱釋電傳感器的跟蹤平臺，其精度與抗干擾性較差，跟蹤算法也比較復雜，難于應用到現實的復雜環(huán)境。針對此類問題，提出了一種基于人體熱釋電特征的人體移動路徑跟蹤方法。該方法利用熵權相對接近度算法融合人體不同的單波形特征可對人體移動的路徑進行跟蹤。熵權克服了人

6、體熱釋電信號各特征權重選取的主觀性，提高了目標識別結果的客觀性，可靠性和準確性。該融合算法首先建立移動人體所在路徑的熱釋電特征觀測值與已知路徑人體熱釋電特征值的相對隸屬度，然后計算隸屬度矩陣的熵權矢量，通過計算各路徑區(qū)域的大小矢量和相對接近度，來判斷人體所在的移動區(qū)域，為了進一步說明該算法在對移動人體路徑跟蹤過程中的可靠性和準確性，與區(qū)間灰關聯度算法在可靠性和識別效果方面做了相關的比較。最后利用實驗驗證了所提出的基于人體熱釋電特征的熵權

7、相對接近度融合算法對人體移動路徑跟蹤的有效性，準確性和可靠性。
　?。?）對人體狀態(tài)的監(jiān)測是人體監(jiān)護的一個重要環(huán)節(jié)，尤其所監(jiān)護的對象是老人，由于老人易于跌倒，如果發(fā)現及時有助于對該類人群的救助。針對此類問題，提出了一種多層傳感器融合的人體跌倒狀態(tài)實時檢測方法。該檢測方法首先利用了分布在不同高度且具有不同感應模式的組合模塊，分別對人體的頭部，上肢和下肢的熱紅外信息進行采集，然后提取多個組合模塊中能區(qū)分人體跌倒狀態(tài)和非跌倒狀態(tài)的主要特

8、征，最后將這些熱釋電特征進行分類融合，可實現對人體跌倒狀態(tài)的實時監(jiān)測，對于多個非跌倒狀態(tài)可利用支持向量機(Support Vector Machine，SVM)并結合相關的人體熱釋電特征進行識別。實驗數據證明該方法可對單個人體和多個人體的跌倒狀態(tài)進行實時檢測，同時也可識別多個非跌倒狀態(tài)。該實時檢測方法的提出有助于推進熱釋電技術在人體健康監(jiān)護等應用方面的可用性。
　　（4）在對人體身份識別方面，針對現實復雜環(huán)境中，單個PIR傳感器識

9、別效率較低，在人體身份識別過程中表現出不穩(wěn)定性和較差可靠性的問題。設計了一種融合人體不同部位熱釋電特征的人體身份識別系統(tǒng)。該系統(tǒng)在特征層采用典型相關分析(Canonical Correlation Analysis，CCA)算法融合了不同的多波形人體熱釋電特征，然后利用支持向量機(SVM)進行初步分類，在決策層采用證據理論(Dempster/Shafer，DS)融合多層傳感器的SVM分類輸出結果，進行二次判定。實驗結果表明，特征層融合提

10、高了單傳感器對近距離對象的識別效果，而決策層融合提高了系統(tǒng)對遠距離對象的識別能力，通過多次試驗證明了該融合系統(tǒng)的可靠性和有效性，可在一定程度上解決了單個傳感器或多個傳感器在對人體身份識別時可靠性較差和適應性較弱的問題。
　?。?）在系統(tǒng)應用方面，將數據采集單元，網關單元、算法處理單元和結果顯示單元進行模塊化設計，降低了系統(tǒng)的集成度，有利于后續(xù)功能的擴展。對于系統(tǒng)中的各個功能模塊，本文進行了詳細的描述并得以實現，由于該系統(tǒng)將人體身份