為什么單一個像素不夠

有許多電子設備和家電不但會望讓您的家更安全、更舒適，而且節(jié)省您的時間，讓您的生活更輕松。它們可以自動執(zhí)行幾項瑣碎的任務，也能通過連接到您的手機使這些電子設備在你的手中控制。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，包括任何運動檢測。從此類傳感器提供的信息的角度來看，它們有一個共同點 — 它們是逐點的并且缺乏分辨率。例如，傳統(tǒng)的溫度或光傳感器只報告房間安裝那一點的溫度或光強度。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)百萬個探測器可以提供非常精細的空間分辨率。通過這種方式，它們產(chǎn)生了豐富的非結構化信息，用視覺圖像來分析獲取結構化信息（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器人和家庭安防系統(tǒng)中的應用已經(jīng)非常廣泛。同時，新創(chuàng)意技術的發(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域。熱成像傳感器也是很好的選擇，有監(jiān)控防止廚房火災隱患，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識。下面，我們來看幾個具體案例。

安全、智能的廚房

為什么要在廚房進行熱成像？簡短的回答是 — 為了安全、健康和方便。事實上，根據(jù)美國國家消防協(xié)會（NPFA）的數(shù)據(jù)，烹飪是家庭火災的主要原因，并且是此類火災的 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，而是當煙霧被探測到時，已經(jīng)為時已晚，無法消除導致火災的因素。但是熱成像可以提供一種清晰的方法，通過在危險條件出現(xiàn)之前就識別出可能導致火災的高溫，可以減少代價高昂的損壞和事故。

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內(nèi)以實現(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（安裝在抽油煙機下方的銅色設備）。從那里，熱像儀可以連續(xù)“看到”整個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)價值，甚至會使它們變成對我們的身體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 的首席財務官 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間和溫度的細節(jié) — 在整個過程中，實時進行。Cooksy 將視覺和熱成像傳感器與復雜的智能和連接性結合在一個易于安裝在爐灶上方的設備中。 該設備可以將您的爐灶面直播到您的手機，讓您“看到”烹制食材的溫度，并建議您如何以及何時根據(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和營養(yǎng)，還涉及廚房安全領域。例如，它可以檢測到無人看管的燃氣灶或過熱的灶具、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，其中熱成像儀隨時間監(jiān)測帶蓋子的水罐。雖然直接觀測到的溫度從未達到接近 沸水100 ℃ (212 ℉)，熱圖像處理和分析的應用可以檢測水何時開始沸騰，何時從蓋子下面溢出，何時瓦斯燃燒氣的火被水淹滅。在智能家居和連接設備的背景下，識別此類事件不僅可以觸發(fā)警報，還可以在必要時調(diào)節(jié)或停止電力或燃氣供應，并防止事故或火災的發(fā)生危險。

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間加熱，附加的熱成像傳感單元增強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間時，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細節(jié)留給機器來直接傳達我們的意圖。這種意圖可以通過無線連接的移動設備或通過集成在修改后的微波爐中的觸摸屏來傳達。人們很自然可以設置所需的食物溫度，這樣熱成像傳感器就可以在食物被加熱的同時對其進行監(jiān)測。

還有TinyML 的進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。 由于迫切需要及時交付用于檢測高溫的熱像儀解決方案，導致許多合作伙伴努力為 OEM 和 ODM 提供許多參考設計。

一個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的合作伙伴“凌通科技”新的熱成像方案 — 當熱傳感器遇上 AI 芯片組。

關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。我們可以認為第二代是一個有智能的系統(tǒng)，它知道房間里是否有人，并可能識別他們在房間的哪個部分。 這可以更有效地利用空調(diào)單元，并且可以通過結合熱像儀來實現(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，還可以了解整個房間的整體溫度分布。 基于這些更詳細的信息，設備可以自動調(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系。 我們應該記住，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設溫度。 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，可以獲得更詳細的熱圖像，直接測量居住者的平均皮膚溫度，并估計他們的水平 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的環(huán)境控制，并將人類體驗置于反饋回路的中心。第二代空調(diào)已經(jīng)上市，這是因為具有成本效益的 1000 到 5000 像素紅外熱像儀的可用性。 我們預計熱成像技術的快速發(fā)展將在 5 年內(nèi)為高端機型帶來第三代功能。

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)上市一段時間，它們提供一種與親友分享快樂時光或在家做事時照看孩子的好方法。 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)建結合了視覺和熱像儀的嬰兒監(jiān)視器方面進行了大量的研發(fā)工作，并通過豐富的人工智能計算引擎支持兩個成像傳感器。這個領域提供了許多可能性。 例如，可以準確跟蹤嬰兒的正常體溫模式 — 當嬰兒健康快樂時，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孩子都非常獨特，并且隨著兒童生理機能和汗腺的發(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一步利用熱和視覺光流模式與智能手機一起為發(fā)育中的大腦創(chuàng)造互動游戲。 可以同時分析行為模式和相應的溫度標記。 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（來源：5GENCARE）

熱成像的健康監(jiān)測也延伸到老年人。 鑒于兩個重要的全球趨勢 — 預期壽命延長和人口老齡化，以及獨居老年人的數(shù)量增加，這一點至關重要。 熱成像可以在許多方面提供幫助，從簡單的溫度和運動生命體征監(jiān)測，一直到復雜的行為分析。老年人護理常見且重要的主題是檢測甚至預防跌倒。 雖然原則上這可以通過在客廳安裝攝像頭來實現(xiàn)，但在浴室的私密空間中并非如此。 由于衛(wèi)生間的風險最高，香港 LSCM 的團隊推出了 5000 像素老年人監(jiān)測熱成像解決方案。這個分辨率對于姿態(tài)估計來說足夠高，但對于具有適度計算能力的連續(xù)實時熱圖像處理來說足夠小，最重要的是 - 保護隱私！ 該單元在本地運行復雜的算法，能夠檢測事故的發(fā)生、跌倒并向負責的護士或家庭成員發(fā)出事故警報。 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。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 — 通過檢測老人何時下床，老人何時 醒著并立即通知護理人員。

當熱傳感器遇上 AI 芯片組

凌通科技是一家來自臺灣的全球集成電路供應商，其以在消費產(chǎn)品和家用電器方面的專業(yè)而聞名。每年有數(shù)以百萬計帶有語音設備和智能相機的產(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 Meridian 的工程師將其熱成像模塊安裝在我們的 AI SoC 平臺上時，如圖 6 所示，它是個完美的搭配。一種具有成本效益的獨立解決方案誕生了，它將溫度與音頻、視頻和圖形與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡 (CNN) 功能集成在一起，用於智能和人工智能應用。顯然，我們已經(jīng)看到我們的客戶對這項尖端技術產(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)

結尾

熱成像傳感器的終極結果將會增強我們家中各種電子產(chǎn)品的功能和價值，解決長期存在的難題挑戰(zhàn)，包括防止廚房火災和老年人事故，協(xié)助烹飪或提高能源效率和舒適度。這是因為有新一代性價比高的紅外熱成像芯片已量產(chǎn)了。與此同時，我們開始看到很多參考硬件設計和軟件解決方案的激增，這極大地促進了該技術的采用，并加快了包含熱像儀的創(chuàng)新產(chǎn)品的開發(fā)周期。事實上，確實，這是至關重要的，Meridian聯(lián)合創(chuàng)始人簡潔地表達了Meridian Innovation是一個革命先鋒的公司 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), 到背后復雜的智能裝置。 “因此，這個舞臺為另一個引人入勝的故事奠定了基礎，在這個故事中，技術創(chuàng)新為人們創(chuàng)造促進了更安全、更美好的生活。