為什么單一個(gè)像素不夠

有許多電子設(shè)備和家電不但會望讓您的家更安全、更舒適，而且節(jié)省您的時(shí)間，讓您的生活更輕松。它們可以自動執(zhí)行幾項(xiàng)瑣碎的任務(wù)，也能通過連接到您的手機(jī)使這些電子設(shè)備在你的手中控制。此功能由大量數(shù)字傳感器啟用，這些傳感器可測量空氣溫度和濕度、光照條件和氣體，包括任何運(yùn)動檢測。從此類傳感器提供的信息的角度來看，它們有一個(gè)共同點(diǎn) — 它們是逐點(diǎn)的并且缺乏分辨率。例如，傳統(tǒng)的溫度或光傳感器只報(bào)告房間安裝那一點(diǎn)的溫度或光強(qiáng)度。無法從這些傳感器推斷出房間里的人、他們的行為和舒適度。相比之下，視覺成像傳感器具有數(shù)百萬個(gè)探測器可以提供非常精細(xì)的空間分辨率。通過這種方式，它們產(chǎn)生了豐富的非結(jié)構(gòu)化信息，用視覺圖像來分析獲取結(jié)構(gòu)化信息（例如，門鈴前是否有人，有多少人，他們是誰，等）。視覺圖像傳感器在智能機(jī)器人和家庭安防系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。同時(shí)，新創(chuàng)意技術(shù)的發(fā)展也將其他多像素傳感器帶入家庭自動化和智能家居領(lǐng)域。熱成像傳感器也是很好的選擇，有監(jiān)控防止廚房火災(zāi)隱患，幫助您做飯，占用監(jiān)控隱私，測量我們的舒適度，提高對老人和嬰兒周圍的福祉的認(rèn)識。下面，我們來看幾個(gè)具體案例。

安全、智能的廚房

為什么要在廚房進(jìn)行熱成像？簡短的回答是 — 為了安全、健康和方便。事實(shí)上，根據(jù)美國國家消防協(xié)會（NPFA）的數(shù)據(jù)，烹飪是家庭火災(zāi)的主要原因，并且是此類火災(zāi)的 49% 的原因。并不是所有受影響的家庭的煙霧探測器都出現(xiàn)故障，而是當(dāng)煙霧被探測到時(shí)，已經(jīng)為時(shí)已晚，無法消除導(dǎo)致火災(zāi)的因素。但是熱成像可以提供一種清晰的方法，通過在危險(xiǎn)條件出現(xiàn)之前就識別出可能導(dǎo)致火災(zāi)的高溫，可以減少代價(jià)高昂的損壞和事故。

在廚房中提供熱成像的一種自然方式是將傳感器集成到抽油煙機(jī)內(nèi)以實(shí)現(xiàn)灶具監(jiān)控。如圖 1 所示 — 世界上第一款智能烹飪助手產(chǎn)品（安裝在抽油煙機(jī)下方的銅色設(shè)備）。從那里，熱像儀可以連續(xù)“看到”整個(gè)爐灶或爐子的溫度分布。

許多烹飪原料對加工溫度很敏感。過熱它們不僅可能會耗盡流失它們的營養(yǎng)價(jià)值，甚至?xí)顾鼈冏兂蓪ξ覀兊纳眢w不太好有害的合成物質(zhì)。有了灶臺上方的熱成像可以連續(xù)“讀取”它們的溫度并向我們顯示，幫助我們制作更健康的佳肴飯菜.

Cooksy Corporation 的首席財(cái)務(wù)官 Steven Cartwright 說，“這將我們引向了烹飪助手的概念，幫助您每次都制作健康美味的飯菜。 從本質(zhì)上講，Cooksy 使您能夠分享您的烹飪食譜或遵循他人的食譜，以了解食材的烹飪時(shí)間和溫度的細(xì)節(jié) — 在整個(gè)過程中，實(shí)時(shí)進(jìn)行。Cooksy 將視覺和熱成像傳感器與復(fù)雜的智能和連接性結(jié)合在一個(gè)易于安裝在爐灶上方的設(shè)備中。 該設(shè)備可以將您的爐灶面直播到您的手機(jī)，讓您“看到”烹制食材的溫度，并建議您如何以及何時(shí)根據(jù)這些信息采取行動?！?

圖1：COOKSY-PRO，全球首款智能烹飪助手(來源：Cooksy)

灶具監(jiān)視器的好處不僅限于烹飪藝術(shù)和營養(yǎng)，還涉及廚房安全領(lǐng)域。例如，它可以檢測到無人看管的燃?xì)庠罨蜻^熱的灶具、過熱的鍋碗瓢盆有或沒有油、容器沸騰和溢出等。如圖 2 所示，其中熱成像儀隨時(shí)間監(jiān)測帶蓋子的水罐。雖然直接觀測到的溫度從未達(dá)到接近 沸水100 ℃ (212 ℉)，熱圖像處理和分析的應(yīng)用可以檢測水何時(shí)開始沸騰，何時(shí)從蓋子下面溢出，何時(shí)瓦斯燃燒氣的火被水淹滅。在智能家居和連接設(shè)備的背景下，識別此類事件不僅可以觸發(fā)警報(bào)，還可以在必要時(shí)調(diào)節(jié)或停止電力或燃?xì)夤?yīng)，并防止事故或火災(zāi)的發(fā)生危險(xiǎn)。

圖2：灶具的熱成像分析。 (來源：Meridian Innovation)

除了灶具監(jiān)控外，熱成像還可以應(yīng)用在其他廚房電器 — 例如微波爐. 圖 3 顯示了最初由 Meridian Innovation 在 2020 年拉斯維加斯消費(fèi)電子展上證明如何在微波中使用熱成像。

圖 3. 智能熱成像微波爐（來源：Meridian Innovation）

如今，微波爐以固定功率在固定時(shí)間加熱，附加的熱成像傳感單元增強(qiáng)了將食物加熱到所需溫度的能力。 這是通過采用現(xiàn)成的微波爐來實(shí)現(xiàn)的，該微波爐經(jīng)過修改加了熱成像和新的溫度控制裝置。這使我們可以在選擇重新加熱食物的功率和時(shí)間時(shí)，免除經(jīng)常需要的猜測。 最終，我們能夠通過選擇所需的食物溫度并將技術(shù)細(xì)節(jié)留給機(jī)器來直接傳達(dá)我們的意圖。這種意圖可以通過無線連接的移動設(shè)備或通過集成在修改后的微波爐中的觸摸屏來傳達(dá)。人們很自然可以設(shè)置所需的食物溫度，這樣熱成像傳感器就可以在食物被加熱的同時(shí)對其進(jìn)行監(jiān)測。

還有TinyML 的進(jìn)步和嵌入式處理器上 AI 功能的可用性,可以整合到微波爐中，讓智能猜測我們在微波爐加熱時(shí)放入了什么東西，從而自動為我們選擇最佳溫度。 由于迫切需要及時(shí)交付用于檢測高溫的熱像儀解決方案，導(dǎo)致許多合作伙伴努力為 OEM 和 ODM 提供許多參考設(shè)計(jì)。

一個(gè)很好的例子是臺灣中文新聞上所發(fā)表的一篇文章 “Arrow Electronics Launches AI Thermal Sensing Solution Powered by STMicroelectronics’ X-CUBE AI”

下面是用我們另一個(gè)的合作伙伴“凌通科技”新的熱成像方案 — 當(dāng)熱傳感器遇上 AI 芯片組。

關(guān)心您的舒適的智能空調(diào)

空調(diào)和 HVAC 系統(tǒng)是集成熱成像可以產(chǎn)生積極影響的另一個(gè)例子。 在許多情況下，房間溫度的控制涉及空調(diào)箱中的一個(gè)簡單的溫度傳感器 — 該傳感器提供來自環(huán)境的唯一反饋。 這種類型的系統(tǒng)可以稱為第一代，非常普遍。我們可以認(rèn)為第二代是一個(gè)有智能的系統(tǒng)，它知道房間里是否有人，并可能識別他們在房間的哪個(gè)部分。 這可以更有效地利用空調(diào)單元，并且可以通過結(jié)合熱像儀來實(shí)現(xiàn)對于小型公寓或酒店房間，幾百到一千像素的熱圖像可能就足夠了，而對于較大的客廳，需要幾千以上像素的傳感器，再加上 90+ 度的廣角 鏡頭。一個(gè)很好的例子是圖 4 所示的智能熱像儀空調(diào)概念，由 Meridian Innovation 在 2019 年 9 月上海智能家居技術(shù)博覽會上展示。

圖 4. 智能熱像儀空調(diào)（來源：Meridian Innovation）

請注意，熱圖像的內(nèi)容不僅可以了解隔間的占用情況，還可以了解整個(gè)房間的整體溫度分布。 基于這些更詳細(xì)的信息，設(shè)備可以自動調(diào)節(jié)氣流的溫度、方向和速度，以節(jié)省能源并提高舒適度。

至于舒適度，有多種數(shù)學(xué)模型可以在人的平均皮膚溫度和人的感知舒適度之間建立直接關(guān)系。 我們應(yīng)該記住，空調(diào)和暖通空調(diào)系統(tǒng)的目的是確保居住者一定程度的舒適度和優(yōu)質(zhì)的室內(nèi)空氣質(zhì)素，而不是僅僅將房間的空氣冷卻或加熱到預(yù)設(shè)溫度。 這將是我們引向了我們稱之為第三代 HVAC 系統(tǒng)的概念。

在第三代，加熱或冷卻單元使用更高分辨率的熱成像 - 大約 5,000 到 20,000 像素，可以獲得更詳細(xì)的熱圖像，直接測量居住者的平均皮膚溫度，并估計(jì)他們的水平 舒適指數(shù)。 這些信息支持以真正的熱舒適度而非溫度為目標(biāo)的環(huán)境控制，并將人類體驗(yàn)置于反饋回路的中心。第二代空調(diào)已經(jīng)上市，這是因?yàn)榫哂谐杀拘б娴?1000 到 5000 像素紅外熱像儀的可用性。 我們預(yù)計(jì)熱成像技術(shù)的快速發(fā)展將在 5 年內(nèi)為高端機(jī)型帶來第三代功能。

嬰兒和老人的安全及健康

帶有視頻流的嬰兒監(jiān)視器已經(jīng)上市一段時(shí)間，它們提供一種與親友分享快樂時(shí)光或在家做事時(shí)照看孩子的好方法。 然而，與熱成像不同，嬰兒監(jiān)視器中的視覺攝像頭無法直接洞察嬰兒的生理狀態(tài)。 熱成像可以無創(chuàng)地持續(xù)跟蹤嬰兒的體溫。 體溫升高是嬰兒不適的常見癥狀。如圖 5 所示，這種想法已在各地得到推廣，新產(chǎn)品即將出現(xiàn)。 每個(gè)父母的愿望都是盡早發(fā)現(xiàn)這種癥狀，即使是在半夜。 因此，在創(chuàng)建結(jié)合了視覺和熱像儀的嬰兒監(jiān)視器方面進(jìn)行了大量的研發(fā)工作，并通過豐富的人工智能計(jì)算引擎支持兩個(gè)成像傳感器。這個(gè)領(lǐng)域提供了許多可能性。 例如，可以準(zhǔn)確跟蹤嬰兒的正常體溫模式 — 當(dāng)嬰兒健康快樂時(shí)，也會自動檢測異常體溫模式的發(fā)生，并在早期癥狀發(fā)展過程中喚起保姆或父母的注意識\。 一般健康的嬰兒核心體溫的模式表現(xiàn)出顯著的晝夜變化，最小值和最大值之間的差異接近 2 度。這種模式似乎對每個(gè)孩子都非常獨(dú)特，并且隨著兒童生理機(jī)能和汗腺的發(fā)育而緩慢演變，需要不斷觀察才能捕捉到這種模式。 因此，嬰兒床上方的嬰兒監(jiān)視器似乎是觀察和記錄這種演變的自然場所。 除了健康狀況之外，還可以在反饋回路中進(jìn)一步利用熱和視覺光流模式與智能手機(jī)一起為發(fā)育中的大腦創(chuàng)造互動游戲。 可以同時(shí)分析行為模式和相應(yīng)的溫度標(biāo)記。 所以你在這里可以保證有 — 安全、聰明和健康的嬰兒！

圖 5. 智能嬰兒監(jiān)護(hù)（來源：5GENCARE）

熱成像的健康監(jiān)測也延伸到老年人。 鑒于兩個(gè)重要的全球趨勢 — 預(yù)期壽命延長和人口老齡化，以及獨(dú)居老年人的數(shù)量增加，這一點(diǎn)至關(guān)重要。 熱成像可以在許多方面提供幫助，從簡單的溫度和運(yùn)動生命體征監(jiān)測，一直到復(fù)雜的行為分析。老年人護(hù)理常見且重要的主題是檢測甚至預(yù)防跌倒。 雖然原則上這可以通過在客廳安裝攝像頭來實(shí)現(xiàn)，但在浴室的私密空間中并非如此。 由于衛(wèi)生間的風(fēng)險(xiǎn)最高，香港 LSCM 的團(tuán)隊(duì)推出了 5000 像素老年人監(jiān)測熱成像解決方案。這個(gè)分辨率對于姿態(tài)估計(jì)來說足夠高，但對于具有適度計(jì)算能力的連續(xù)實(shí)時(shí)熱圖像處理來說足夠小，最重要的是 - 保護(hù)隱私！ 該單元在本地運(yùn)行復(fù)雜的算法，能夠檢測事故的發(fā)生、跌倒并向負(fù)責(zé)的護(hù)士或家庭成員發(fā)出事故警報(bào)。 該產(chǎn)品于 2019 年在日內(nèi)瓦舉行的第 47 屆國際發(fā)明展覽會上獲得金獎(jiǎng)。其他公司正在開發(fā)用于療養(yǎng)院臥室的攝像頭解決方案，目的在防止常見事故 — 通過檢測老人何時(shí)下床，老人何時(shí) 醒著并立即通知護(hù)理人員。

當(dāng)熱傳感器遇上 AI 芯片組

凌通科技是一家來自臺灣的全球集成電路供應(yīng)商，其以在消費(fèi)產(chǎn)品和家用電器方面的專業(yè)而聞名。每年有數(shù)以百萬計(jì)帶有語音設(shè)備和智能相機(jī)的產(chǎn)品已為全球眾多業(yè)內(nèi)頂級品牌公司所使用。 凌通科技銷售經(jīng)理 Jacky Chen 表示, “我相信 Meridian 的熱成像和 凌通的 AI 芯片組是智能家庭的完美解決方案。當(dāng) Meridian 的工程師將其熱成像模塊安裝在我們的 AI SoC 平臺上時(shí)，如圖 6 所示，它是個(gè)完美的搭配。一種具有成本效益的獨(dú)立解決方案誕生了，它將溫度與音頻、視頻和圖形與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (CNN) 功能集成在一起，用於智能和人工智能應(yīng)用。顯然，我們已經(jīng)看到我們的客戶對這項(xiàng)尖端技術(shù)產(chǎn)生了極大的興趣，以創(chuàng)造更美好的明天。"

圖6 : 熱成像智能評估平臺 (來源：凌通科技)

結(jié)尾

熱成像傳感器的終極結(jié)果將會增強(qiáng)我們家中各種電子產(chǎn)品的功能和價(jià)值，解決長期存在的難題挑戰(zhàn)，包括防止廚房火災(zāi)和老年人事故，協(xié)助烹飪或提高能源效率和舒適度。這是因?yàn)橛行乱淮詢r(jià)比高的紅外熱成像芯片已量產(chǎn)了。與此同時(shí)，我們開始看到很多參考硬件設(shè)計(jì)和軟件解決方案的激增，這極大地促進(jìn)了該技術(shù)的采用，并加快了包含熱像儀的創(chuàng)新產(chǎn)品的開發(fā)周期。事實(shí)上，確實(shí)，這是至關(guān)重要的，Meridian聯(lián)合創(chuàng)始人簡潔地表達(dá)了Meridian Innovation是一個(gè)革命先鋒的公司 一 “熱成像傳感器就像人的眼睛，它傳遞所有必要得熱數(shù)據(jù), 到背后復(fù)雜的智能裝置。 “因此，這個(gè)舞臺為另一個(gè)引人入勝的故事奠定了基礎(chǔ)，在這個(gè)故事中，技術(shù)創(chuàng)新為人們創(chuàng)造促進(jìn)了更安全、更美好的生活。