通信學(xué)論文-大空間空調(diào)控制用人員信息測量系統(tǒng).doc

通信學(xué)論文-大空間空調(diào)控制用人員信息測量系統(tǒng)論文作者：加藤淳之川井健司橋本重行大高一博橋本直樹摘要：利用紅外線對大空間的大量人員數(shù)量進(jìn)行測量，作為空調(diào)系統(tǒng)的基本參數(shù)。關(guān)鍵詞：人員信息測量紅外攝像機(jī)大空間空調(diào)控制技能圖像處理體育場對于體育館及室內(nèi)比賽場所等大空間的空調(diào)，其空調(diào)控制方法直接關(guān)系到耗能的多少。大空間內(nèi)人數(shù)及分布的人員信息是有效地實(shí)施空調(diào)節(jié)能控制的重要數(shù)據(jù)。本論文報(bào)告世界上首次實(shí)際應(yīng)用的利用紅外攝像機(jī)的大空間人員信息測量系統(tǒng)，解決了至今為止無法有效地獲取此類大空間內(nèi)的人員信息的問題。l前言創(chuàng)造一個(gè)舒適的大空間空調(diào)環(huán)境，往往需要消耗大量的能源。然而，通過利用各種信息，向大空間中的某個(gè)指定空間(最小空調(diào)空間)提供最小限度的能源，既可以保持其舒適環(huán)境，又可以將能耗控制到最小。為此達(dá)目的，測量室內(nèi)人員所在區(qū)域以及各區(qū)域人數(shù)等信息，將這些數(shù)據(jù)傳給空調(diào)控制系統(tǒng)，使其根據(jù)人數(shù)和分布控制空調(diào)系統(tǒng)，將是一個(gè)非常有效的節(jié)能控制方法。本文結(jié)合大阪DOME的實(shí)例介紹以紅外攝像機(jī)作為測量人數(shù)和分布的傳感器的人員信息測量系統(tǒng)的構(gòu)成、測量方法、課題等。2系統(tǒng)概要大阪DOME為監(jiān)視火災(zāi)和探明火災(zāi)發(fā)生位置而設(shè)置了4臺紅外攝像機(jī)(三菱電機(jī)IR-M300)，其紅外攝像機(jī)的圖像輸出主要被用于監(jiān)視和確定火災(zāi)發(fā)生位置。人員信息測量系統(tǒng)定期(不影響火災(zāi)監(jiān)測的程度)從火災(zāi)監(jiān)視紅外攝像機(jī)獲取觀眾席紅外圖像，按區(qū)域數(shù)出其中的人數(shù)和分布，從而達(dá)到測量大空間內(nèi)室內(nèi)人數(shù)和分布的人員信息的目的。人員信息測量系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖1所示。圖1人員信息系統(tǒng)構(gòu)成圖本系統(tǒng)由設(shè)置在室內(nèi)的4臺紅外攝像機(jī)、控制這些紅外攝像機(jī)的定序器以及圖像處理器、控制用計(jì)算機(jī)構(gòu)成。每臺紅外攝像機(jī)通過旋轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)分別監(jiān)視4個(gè)區(qū)域，4臺紅外攝像機(jī)共16個(gè)區(qū)域的紅外圖像便可覆蓋設(shè)施內(nèi)的全部觀眾席。測量人數(shù)時(shí)，根據(jù)定序器內(nèi)預(yù)置的圖像發(fā)送時(shí)間表，將紅外攝像機(jī)的圖像從圖像切換器發(fā)送至圖像處理裝置。圖像處理裝置從收到的紅外圖像中按控制對象區(qū)域抽出人影圖像部分，并將其發(fā)送至控制用計(jì)算機(jī)?？刂朴糜?jì)算機(jī)處理人影部分圖像，計(jì)算出備空調(diào)控制區(qū)的觀眾上座率以及人數(shù)，將結(jié)果發(fā)送至空調(diào)監(jiān)視機(jī)。在控制用計(jì)算機(jī)上顯示測量結(jié)果的同時(shí)，測量結(jié)果也被記錄在計(jì)算機(jī)的硬盤中。圖2示意了紅外圖像發(fā)送步驟略圖。約每間隔30秒發(fā)送1個(gè)區(qū)域的紅外圖像(發(fā)送時(shí)間約2秒)。按序發(fā)送總計(jì)16個(gè)區(qū)域的紅外圖像的全部數(shù)據(jù)實(shí)際需要8分鐘左右。在大阪DOME室內(nèi)，觀眾席空調(diào)共有25臺空調(diào)機(jī)(AHU)。因此，全部觀眾席被分為25個(gè)空調(diào)控制區(qū)。空調(diào)中央監(jiān)控機(jī)根據(jù)本系統(tǒng)計(jì)算的各空調(diào)控制區(qū)觀眾上座率控制空調(diào)。3測量方法31紅外攝像機(jī)的測量原理絕對零度以上的物體必將發(fā)射出由其表面溫度以及輻射率(由表面形狀及材質(zhì)所決定)所決定的紅外線。因此，可通過紅外攝像機(jī)等進(jìn)行遠(yuǎn)距離被動式測量其表面溫度。將測量到的紅外輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電氣信號，用微處理機(jī)運(yùn)算將紅外輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成溫度，再對溫度附加必要的色調(diào)亮度值，既可將人用肉眼無法看到的紅外信息作為熱圖像在顯示器上顯示出來。由于是被動測量物體發(fā)射的紅外線，所以不需要輔助光源，即使在黑暗空間也能獲得熱圖像。本系統(tǒng)所采用的紅外攝像機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。表1紅外攝像機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)(三菱電機(jī)IR-M3(X)靈敏度0.29S測量波長lm角度(廣角鏡)28(水平)22(垂直)有效像素230(水平)192(垂直)視頻輸出RS-170圖像顯示黑白256色人類的體溫在36C左右，在有空調(diào)的室內(nèi)環(huán)境中，高于除發(fā)熱機(jī)器外的其它物體，如：座椅、地面。因此，在紅外線獲取的熱圖像中，與周圍的物體相比，人體圖像亮度高。通過對這些熱圖像進(jìn)行處理，將人體表面溫度范圍的下限值與上限值作為閩值進(jìn)行2值化處理，即可從圖像中抽出人影區(qū)域。32人數(shù)測量方法的比較作為大空間的人數(shù)測量方法，除31節(jié)所述的紅外攝像機(jī)方法外，還可考慮下述方法。(1)在出人口設(shè)置計(jì)算入退場人數(shù)的門禁方式。(2)在座位上安裝壓力傳感器及光電開關(guān)的座席設(shè)置傳感器方式(3)可視光學(xué)照相機(jī)與圖像處理方式。表2為各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)對照。其中，最精確測量人員信息的方法是在座席設(shè)置傳感器方式。但是，室內(nèi)體育館及室內(nèi)比賽場之類的大空間的情況下，其座席數(shù)最少也有幾千個(gè)，最多時(shí)達(dá)4萬個(gè)左右，如果考慮到設(shè)置，及調(diào)整作業(yè)以及配線等設(shè)置及維護(hù)費(fèi)用，此方法不切合實(shí)際。也無法測量音樂會等情況下臨時(shí)設(shè)置的座席以及逗留在不特定場所的人。表2人數(shù)測量方法的比較方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)KiA場門禁設(shè)置個(gè)數(shù)少。人數(shù)精度比較好。無法掌墨室內(nèi)的人員分布情況。出人口受到限嗣。座席設(shè)置傳感器可測量人的分布情況。人數(shù)精度好。設(shè)置作業(yè)及維護(hù)作業(yè)有難度。無法測量非固定座席。可視光照相機(jī)設(shè)置個(gè)數(shù)少。成本低康。受照明度變化影響大。測量計(jì)數(shù)方法復(fù)雜。紅外攝像機(jī)p設(shè)置個(gè)數(shù)少。不會受到照明度變化的影響。紅外攝像機(jī)價(jià)格高。入退場門禁法無法掌握人員的分布情況，無法為按區(qū)域進(jìn)行空調(diào)控制提供信息。紅外攝像法，可通過旋轉(zhuǎn)多臺攝像機(jī)來覆蓋所有觀眾席，利用圖像信息可掌握室內(nèi)人員的人數(shù)和分布情況。由于利用熱圖像不會受到室內(nèi)照度變化的影響，因此可采用比較簡單的計(jì)數(shù)方法。此外，還有同樣利用圖像信息的可視光學(xué)攝像方法，但在音樂會等黑暗空間以及燈光演出等照明變化劇烈的環(huán)境下，很難進(jìn)行圖像加工處理，抽出人影特征的計(jì)算方法與紅外攝像方法相比也相對復(fù)雜。33測量計(jì)數(shù)方法在本系統(tǒng)中，測量對象為大空間，測量距離最長為200m左右。所使用的紅外攝像機(jī)的拍攝距離與每個(gè)像素的測量范圍的關(guān)系如圖3所示。圖3拍攝距離與像素的測量范圍的關(guān)系在200m的拍攝距離，每個(gè)像素的測量范圍約為41cmx32cm。因此，分辨出臉部輪廓等特征，一個(gè)一個(gè)進(jìn)行識別計(jì)數(shù)時(shí)存在空間分辨能力不足的問題。作為彌補(bǔ)這種空間分辨能力不足的人數(shù)測量計(jì)數(shù)方法，可采取在特定區(qū)域(可對應(yīng)不同空調(diào)控制區(qū))，僅抽取認(rèn)為是人的表面的溫度像素，根據(jù)其合計(jì)像素?cái)?shù)及人均像素?cái)?shù)的關(guān)系，估算人數(shù)。本系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)流及計(jì)數(shù)概要如圖4所示。其中，要點(diǎn)項(xiàng)目將在后面加以詳述。圖4人數(shù)測量計(jì)數(shù)與數(shù)據(jù)流程331數(shù)據(jù)庫大阪DOME的設(shè)計(jì)功能為，除進(jìn)行棒球比賽外，還舉辦音樂會、展示會等各種活動。不同活動中觀眾席的位置及測量區(qū)域會有所變化，因此要求根據(jù)不同的活動事件進(jìn)行測量。為此，要預(yù)先獲得預(yù)計(jì)的每項(xiàng)活動的觀眾席位置信息，按測量區(qū)域制作座標(biāo)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，加入各攝像機(jī)及各項(xiàng)活動的修正用數(shù)據(jù)，在控制用計(jì)算機(jī)中建立圖像處理用數(shù)據(jù)庫。在每次投入使用時(shí)，從控制用計(jì)算機(jī)向圖像處理裝置發(fā)送數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。運(yùn)行過程中圖像處理區(qū)域發(fā)生變化時(shí)，也可通過變更計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫來加以對應(yīng)。332通過2值化進(jìn)行人影抽樣從圖像中進(jìn)行人影抽樣時(shí)，一般采用找出與其它圖像部分的不同特征，進(jìn)行2值化處理。在空調(diào)空間中拍攝的紅外圖像中，人的溫度要比周圍物體(發(fā)熱設(shè)備除外)高。因此，如果將人的表面溫度范圍的下限值以及上限值作為閾值進(jìn)行2值化，可僅從熱圖像中抽出人影的部分，根據(jù)該部分的占有面積來推測人數(shù)。決定該閾值時(shí)，考慮了室內(nèi)氣溫與測量范圍這兩個(gè)主要影響因素。人的體溫(體深部)一般為36左右，即使氣溫變化也幾乎恒定不變。但是，手、腳以及臉等的表面溫度會根據(jù)氣溫的變化而變化(參照圖5)。當(dāng)然，穿衣量也因氣溫而不同，人體外露部的表面溫度隨環(huán)境溫度的變化而變化。像普通的寫字樓事務(wù)所那樣全年氣溫及穿衣量變化不大的環(huán)境下，人體表面溫度特定在某一范圍內(nèi)，可采用固定閾值。但是在像大阪DOME這樣的大空間中測量時(shí)，室內(nèi)氣溫往往隨外部氣溫變化，全年來看，室內(nèi)溫度變化范圍一般在10qE左右。在如此大的氣溫變化環(huán)境下，必須按當(dāng)時(shí)的氣溫改變閾值，否則難以進(jìn)行可靠的人影抽樣。影響閾值的另一要因測量距離包括空間分辨能力的影響以及大氣吸收的影響。如果測量距離長，每個(gè)像素的測量范圍變大，人與背景部分的溫度被平均輸出。其結(jié)果，人體外露部表面溫度呈下降之勢。大氣中紅外線吸收造成的衰減也隨測量距離的增加而增加，使外露人體表面溫度下降。因此，在測量距離短時(shí)，必須將閾值設(shè)高，測量距離