通信學(xué)論文-大空間空調(diào)控制用人員信息測(cè)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(cè)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(shù)摘要：利用紅外線(xiàn)對(duì)大空間的大量人員數(shù)量進(jìn)行測(cè)量，作為空調(diào)系統(tǒng)的基本參數(shù)。關(guān)鍵詞：人員信息測(cè)量紅外攝像機(jī)大空間空調(diào)控制技能圖像處理體育場(chǎng)對(duì)于體育館及室內(nèi)比賽場(chǎng)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(cè)量系統(tǒng)，解決了至今為止無(wú)法有效地獲取此類(lèi)大空間內(nèi)的人員信息的問(wèn)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(guò)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(cè)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(cè)量人數(shù)和分布的傳感器的人員信息測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成、測(cè)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(tái)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(cè)量系統(tǒng)定期(不影響火災(zāi)監(jiān)測(cè)的程度)從火災(zāi)監(jiān)視紅外攝像機(jī)獲取觀(guān)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(cè)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(cè)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(tái)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(tái)紅外攝像機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)分別監(jiān)視4個(gè)區(qū)域，4臺(tái)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(guān)眾席。測(cè)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(duì)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(guān)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(cè)量結(jié)果的同時(shí)，測(cè)量結(jié)果也被記錄在計(jì)算機(jī)的硬盤(pán)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(guān)眾席空調(diào)共有25臺(tái)空調(diào)機(jī)(AHU)。因此，全部觀(guān)眾席被分為25個(gè)空調(diào)控制區(qū)?？照{(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(guān)眾上座率控制空調(diào)。3測(cè)量方法31紅外攝像機(jī)的測(cè)量原理絕對(duì)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(xiàn)。因此，可通過(guò)紅外攝像機(jī)等進(jìn)行遠(yuǎn)距離被動(dòng)式測(cè)量其表面溫度。將測(cè)量到的紅外輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)，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(duì)溫度附加必要的色調(diào)亮度值，既可將人用肉眼無(wú)法看到的紅外信息作為熱圖像在顯示器上顯示出來(lái)。由于是被動(dòng)測(cè)量物體發(fā)射的紅外線(xiàn)，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(cè)量波長(zhǎng)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(lèi)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(xiàn)獲取的熱圖像中，與周?chē)奈矬w相比，人體圖像亮度高。通過(guò)對(duì)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(cè)量方法的比較作為大空間的人數(shù)測(cè)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(chǎng)人數(shù)的門(mén)禁方式。(2)在座位上安裝壓力傳感器及光電開(kāi)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(duì)照。其中，最精確測(cè)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(chǎng)之類(lèi)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(wàn)個(gè)左右，如果考慮到設(shè)置，及調(diào)整作業(yè)以及配線(xiàn)等設(shè)置及維護(hù)費(fèi)用，此方法不切合實(shí)際。也無(wú)法測(cè)量音樂(lè)會(huì)等情況下臨時(shí)設(shè)置的座席以及逗留在不特定場(chǎng)所的人。表2人數(shù)測(cè)量方法的比較方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)KiA場(chǎng)門(mén)禁設(shè)置個(gè)數(shù)少。人數(shù)精度比較好。無(wú)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(cè)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(wú)法測(cè)量非固定座席?？梢暪庹障鄼C(jī)設(shè)置個(gè)數(shù)少。成本低康。受照明度變化影響大。測(cè)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(huì)受到照明度變化的影響。紅外攝像機(jī)價(jià)格高。入退場(chǎng)門(mén)禁法無(wú)法掌握人員的分布情況，無(wú)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(guò)旋轉(zhuǎn)多臺(tái)攝像機(jī)來(lái)覆蓋所有觀(guān)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(huì)受到室內(nèi)照度變化的影響，因此可采用比較簡(jiǎn)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(lè)會(huì)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(duì)復(fù)雜。33測(cè)量計(jì)數(shù)方法在本系統(tǒng)中，測(cè)量對(duì)象為大空間，測(cè)量距離最長(zhǎng)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(cè)量范圍的關(guān)系如圖3所示。圖3拍攝距離與像素的測(cè)量范圍的關(guān)系在200m的拍攝距離，每個(gè)像素的測(cè)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(shí)別計(jì)數(shù)時(shí)存在空間分辨能力不足的問(wèn)題。作為彌補(bǔ)這種空間分辨能力不足的人數(shù)測(cè)量計(jì)數(shù)方法，可采取在特定區(qū)域(可對(duì)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(cè)量計(jì)數(shù)與數(shù)據(jù)流程331數(shù)據(jù)庫(kù)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(lè)會(huì)、展示會(huì)等各種活動(dòng)。不同活動(dòng)中觀(guān)眾席的位置及測(cè)量區(qū)域會(huì)有所變化，因此要求根據(jù)不同的活動(dòng)事件進(jìn)行測(cè)量。為此，要預(yù)先獲得預(yù)計(jì)的每項(xiàng)活動(dòng)的觀(guān)眾席位置信息，按測(cè)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(dòng)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(kù)。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(kù)數(shù)據(jù)。運(yùn)行過(guò)程中圖像處理區(qū)域發(fā)生變化時(shí)，也可通過(guò)變更計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)加以對(duì)應(yīng)。332通過(guò)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?chē)矬w(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(lái)推測(cè)人數(shù)。決定該閾值時(shí)，考慮了室內(nèi)氣溫與測(cè)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(huì)根據(jù)氣溫的變化而變化(參照?qǐng)D5)。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(xiě)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(cè)量時(shí)，室內(nèi)氣溫往往隨外部氣溫變化，全年來(lái)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(cè)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(cè)量距離長(zhǎng)，每個(gè)像素的測(cè)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(shì)。大氣中紅外線(xiàn)吸收造成的衰減也隨測(cè)量距離的增加而增加，使外露人體表面溫度下降。因此，在測(cè)量距離短時(shí)，必須將閾值設(shè)高，測(cè)量距離