計算機(jī)視覺視頻圖像處理在暖通空調(diào)控制信號采集領(lǐng)域的應(yīng)用

西安建筑科技大學(xué) 李瀟婧 劉一航 劉朋舉 任慶昌 李安桂 楊 斌 南京郵電大學(xué) 成孝剛 霍尼韋爾(中國)有限公司 陳 杰

0 引言

計算機(jī)視覺、視頻圖像處理等相關(guān)領(lǐng)域的最新技術(shù)在建筑環(huán)境實時非接觸監(jiān)測及暖通空調(diào)設(shè)備控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，本文系統(tǒng)回顧國內(nèi)外研究者近10年的研究成果。在文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上，增加被動式紅外探測器(passive infrared detector，PIR)和毫米波雷達(dá)的相關(guān)內(nèi)容，梳理這2種技術(shù)在非接觸監(jiān)測領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，并對其在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用作出展望。同時，本文在討論部分增加非接觸監(jiān)測技術(shù)在睡眠環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用。

建筑室內(nèi)環(huán)境控制一般依據(jù)室內(nèi)溫濕度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，以此保證大多數(shù)人的熱舒適性。以長期環(huán)境監(jiān)測和經(jīng)驗總結(jié)所確定的溫濕度標(biāo)準(zhǔn)存在自身固有的局限性，基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的暖通空調(diào)系統(tǒng)不能兼顧人員熱舒適和節(jié)能的要求。傳感器通常被固定于某一個位置，而室內(nèi)環(huán)境參數(shù)在空間分布上是不均勻的，這就導(dǎo)致基于環(huán)境傳感器的傳統(tǒng)測量方法不夠精確。采用問卷調(diào)查的方式雖然可以直接獲取人員對周圍環(huán)境的反饋，但人員的正?；顒邮艿筋l繁干擾。近年來，隨著建筑“以人為本”概念的提出，室內(nèi)環(huán)境控制更需要從人的實際需求出發(fā)，同時減少信號采集過程對人員正常工作生活的干擾。計算機(jī)視覺/視頻圖像處理技術(shù)的發(fā)展，為滿足上述需求提供了新的技術(shù)手段。

本文先分別回顧傳統(tǒng)測量方法和半接觸式測量方法。然后介紹基于紅外傳感技術(shù)、歐拉視頻放大技術(shù)和骨骼關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)技術(shù)的非接觸測量，討論這些技術(shù)在按需通風(fēng)、個體環(huán)境控制和睡眠環(huán)境檢測方面的應(yīng)用，并初步展望毫米波雷達(dá)在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。最后介紹得出的結(jié)論與未來發(fā)展方向。

在展開論述之前，對非接觸測量和非侵入測量的概念進(jìn)行區(qū)分。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，非侵入測量是指不需要物理刺破肌膚或通過外部孔口深入人體的測量。相對而言，熱舒適研究中非侵入測量是指不干擾人員正常行為活動的測量。例如：在口腔或直腸中使用溫度計和人體活動輸出的電信號(如心電圖、腦電圖、眼電圖等)，它們都是侵入式的，但從醫(yī)學(xué)角度而言，它們是非侵入的。而非接觸測量是指在不接觸身體的情況下采集人體熱舒適信息或數(shù)據(jù)。例如，使用紅外攝像系統(tǒng)采集人臉皮膚溫度是非接觸且非侵入的測量方式。

1 傳統(tǒng)測量方式(接觸式測量)

傳統(tǒng)的接觸式測量包括環(huán)境參數(shù)測量、問卷調(diào)查和生理參數(shù)測量，其中問卷調(diào)查是獲取人員對于環(huán)境反饋?zhàn)钪苯拥姆椒?。然而人員需要暫停他們的正?；顒?，才能填寫紙質(zhì)或電子的調(diào)查問卷。在實驗室測試時一般采用紙質(zhì)的調(diào)查問卷，在現(xiàn)實的建筑中不方便使用。基于手機(jī)或計算機(jī)的電子調(diào)查問卷雖然可以適應(yīng)環(huán)境復(fù)雜且變化的測試場合[2]，但同樣需要人員持續(xù)且頻繁的配合[3]。

環(huán)境參數(shù)測量是基于環(huán)境傳感器對室內(nèi)溫度、濕度、氣流風(fēng)速等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，從而判斷室內(nèi)熱環(huán)境情況的測量方法。雖然該方法更具可操作性，但是其數(shù)據(jù)并不能直接反映人員的真實感受或生理參數(shù)。盡管可以通過設(shè)置多個不同種類的傳感器測量室內(nèi)環(huán)境，但是室內(nèi)諸多因素均會影響到測試結(jié)果，如光照、室內(nèi)家具、太陽輻射熱和氣流速度等[4-5]。

研究發(fā)現(xiàn)，測量得出的心率、脈搏、血液灌注度、皮膚溫度、人體代謝率、腦電圖等生理參數(shù)也可以與人體熱舒適構(gòu)建相應(yīng)的關(guān)系[6-8]。用水銀溫度計測量人體發(fā)燒時的腋下體溫，就是使用接觸式的設(shè)備采集人體熱生理信號的一個常見實例。此外，設(shè)備的安放位置和安放角度、人員的體脂率和運(yùn)動狀態(tài)等也會引起測量誤差[9]，人員產(chǎn)生的異物感是該方法實際應(yīng)用的主要障礙。

2 半接觸式測量

與上述測量方法不同，半接觸式測量是將傳感器集成到可穿戴設(shè)備上。Chen等人在進(jìn)行熱舒適評價和熱調(diào)節(jié)性能分析時采用了半接觸式測量方法，具體做法是：在眼鏡上裝配4個紅外傳感器，通過傳感器采集人員前臉、顴骨、鼻部和耳朵的皮膚溫度并將其用于評價和分析，如圖1所示[9]。在上述結(jié)果的基礎(chǔ)上，Ghahramani等人提出了一種基于隱馬爾可夫模型的學(xué)習(xí)算法來獲取個人熱舒適[10]。該方法雖然可以實時監(jiān)測人員的熱舒適，但卻未考慮到人員活動強(qiáng)度對熱舒適的影響。此外，最佳位置、距離、傳感覆蓋范圍等因素對預(yù)測熱舒適精度的影響尚不明確。

圖1 紅外眼鏡測點(diǎn)示意及實驗設(shè)置[9]

智能手環(huán)等腕帶式可穿戴設(shè)備也可用于測量皮膚溫度[11-12]。Sim等人在不同室溫下采集了受試者腕部3個不同測點(diǎn)的皮膚溫度并測量了指尖皮膚溫度[13]。如圖2所示，腕帶可以記錄人體的光電容積圖(PPG)，采集得到搏動期間的信號并將其發(fā)送到智能手機(jī)上?；诖耍嬎愕玫矫}搏變化率并實時預(yù)測熱舒適[14]。腕帶還可以對智能手機(jī)上熱像儀拍攝的熱圖像進(jìn)行偏移誤差修正[15]。智能手表測量得到的皮膚溫度和心率、心率變異性等數(shù)據(jù)，可以用于建立熱舒適預(yù)測模型[16-17]，并將結(jié)果與專業(yè)的測量設(shè)備進(jìn)行對比[18]。

圖2 智能腕帶記錄心電圖[14]

雖然基于手腕皮膚溫度/心率的大多數(shù)熱舒適預(yù)測模型都具有不錯的精度，但是模型驗證數(shù)據(jù)都是在特定熱環(huán)境下從有限受試者身上獲取的。此外，這些模型沒有考慮到個體特征差異，如性別和適應(yīng)性。

3 非接觸式測量

傳統(tǒng)的接觸式測量主要包括環(huán)境參數(shù)測量、問卷調(diào)查和生理參數(shù)測量等，此類測量方式已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，同時還可以與物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等新興技術(shù)相結(jié)合。小型化的傳感器對使用者更友好，可以將其與手表、眼鏡、腕帶等可穿戴設(shè)備集成在一起，并借此弱化異物感。基于視頻/圖像處理來實現(xiàn)非接觸測量的技術(shù)，可以避免可穿戴設(shè)備的異物感及對正常工作生活的干擾。目前常用的技術(shù)有紅外傳感技術(shù)、歐拉視頻放大技術(shù)和骨骼關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)模型。

3.1 紅外傳感技術(shù)

3.1.1紅外成像技術(shù)

紅外攝像頭采集的視頻和圖像被廣泛用于情緒和表情識別[19-22]、醫(yī)學(xué)檢測[23-25]、人臉識別和標(biāo)記[26-29]、測謊[30-32]等方面?，F(xiàn)在也可以用于評價人體熱舒適性。紅外攝像頭可以用于采集人體裸露皮膚的紅外圖像，如手部、面部皮膚[23,33-39]。該技術(shù)適用于判斷暖通空調(diào)系統(tǒng)是否需要調(diào)節(jié)[34](如圖3所示)。紅外攝像頭可以獲取人員面部皮膚溫度。皮膚電位、手部皮膚溫度、皮膚阻力、心臟頻率和呼吸頻率也可以通過紅外成像技術(shù)進(jìn)行分析[40]。

圖3 人體裸露皮膚的紅外圖像[34]

近期，市場上出現(xiàn)了低成本和小型化的紅外攝像頭，例如智能手機(jī)上的熱成像相機(jī)[41]。因為低成本紅外探測器冷卻不夠充分，因此與高端型號相比精度并不高，研究人員提出了一種動態(tài)偏移校正技術(shù)[15]。Aryal等人比較了紅外成像技術(shù)、傳統(tǒng)生理和環(huán)境測量技術(shù)及半接觸式可穿戴設(shè)備的精度，研究結(jié)果表明，生理傳感器和環(huán)境傳感器結(jié)合的測量方式比單獨(dú)使用環(huán)境傳感器的精度高3%～4%[42]。因此，在實驗工況下，單獨(dú)使用環(huán)境傳感器是不可行的[42]。對于人員相對運(yùn)動的問題，Aryal等人提出了將RGB圖像和熱成像儀數(shù)據(jù)結(jié)合使用的方法，圖4為紅外攝像頭拍攝的熱圖像，利用RGB圖像中檢測到的人臉特征區(qū)域來定位紅外圖像中對應(yīng)的人臉皮膚區(qū)域，從而提取出人臉的皮膚溫度[42]。Kopaczka等人結(jié)合人臉特征檢測、情感識別、面孔正面化和分析的算法對紅外人臉圖像進(jìn)行進(jìn)一步的處理[43]。

圖4 熱圖像提取不同特征區(qū)域皮膚溫度的步驟[42]

同時，運(yùn)動員在室外跑步和在室內(nèi)健身的紅外圖像也可以被拍攝分析[44]。盡管上述研究結(jié)果顯示其熱感覺預(yù)測準(zhǔn)確度為65%～85%，但是在熱成像中還未研究噪聲的處理，因此算法和模型的魯棒性需要進(jìn)一步驗證。

將熱成像儀、深度傳感器、彩色攝像頭集成到一個平臺中，采集得到的皮膚和服裝溫度可用于熱舒適評估[45]。該平臺的建立體現(xiàn)了3個原則：低成本(約300美元)、小型化、實時監(jiān)控。以此為基礎(chǔ)，相關(guān)研究人員提出利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法生成預(yù)測熱舒適模型，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析[46-48]。為了克服人員姿態(tài)和動作的影響，研究中使用了一種由低成本熱成像儀和RGB-D傳感器(Kinect)組成的設(shè)備[49]。但當(dāng)用戶存在動態(tài)姿勢和運(yùn)動時，紅外成像技術(shù)在熱舒適和熱感覺預(yù)測方面的準(zhǔn)確度將受到影響。此外，紅外成像技術(shù)收集視頻/圖像數(shù)據(jù)還涉及隱私的問題。

3.1.2被動式紅外傳感器

被動式紅外探測器(PIR)是被廣泛用于監(jiān)控的廉價傳感器之一，具有體積小、功耗低、靈敏度高、探測范圍大等優(yōu)點(diǎn)。與主動式紅外探測器不同，它不依靠發(fā)射輻射能量來探測物體的存在，而是通過檢測物體發(fā)射或反射的紅外輻射來工作[50]。人體發(fā)出的輻射能量與其他有溫度的物體不同，主要集中在9～10 μm的波長內(nèi)。被動式紅外探測器能夠吸收這種人類肉眼看不到的紅外線，適用于室內(nèi)人員定位[51-52]。

PIR傳感器為暖通空調(diào)設(shè)備(如家用空調(diào)[53])提供與人員信息有關(guān)的電信號。這種方式不僅提高了人員熱舒適，而且節(jié)省了能源。如今，部分空調(diào)產(chǎn)品已經(jīng)可以做到根據(jù)人的行為調(diào)整運(yùn)行模式，例如，如果空調(diào)在30 min內(nèi)沒有檢測到人體運(yùn)動的信號將自動關(guān)閉。但智能調(diào)節(jié)的方式也有其自身的局限，PIR傳感器無法識別靜止的人體。為了解決這個問題，PIR傳感器常常和其他技術(shù)配合使用。例如將微波和PIR相結(jié)合，2個傳感器分別負(fù)責(zé)不同的任務(wù)，只有2個傳感器同時觸發(fā)才可以激活報警信號[54-55]。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用該技術(shù)后節(jié)能量增加，增幅可達(dá)到30%[56]。除了控制背景空調(diào)系統(tǒng)外，PIR傳感器還可以與個體微環(huán)境控制系統(tǒng)相結(jié)合，從而克服個體差異性。

3.2 歐拉視頻放大技術(shù)

歐拉視頻放大技術(shù)是一種細(xì)微視覺運(yùn)動放大技術(shù)，廣泛應(yīng)用于觀察視頻中特定區(qū)域的形態(tài)及特征[57]。該技術(shù)的原理是利用拉格朗日法將測量到的視覺運(yùn)動與一組視頻圖像中經(jīng)過修正的像素相結(jié)合，實現(xiàn)人肉眼察覺不到的細(xì)微運(yùn)動和顏色變化的檢測[58]。與拉格朗日法不同，歐拉視頻放大技術(shù)的處理過程并不跟蹤物體運(yùn)動，而是依賴于視頻金字塔和放大的時間序列處理相結(jié)合。通過給定某像素處顏色值的時間序列，放大特定時間范圍內(nèi)的變化。該技術(shù)可以用于結(jié)構(gòu)檢測，如放大喉結(jié)振動判斷發(fā)聲，檢測心率、脈搏、膚色、血液的細(xì)微變化等[59]。來自瑞典于默奧大學(xué)和美國弗吉尼亞理工大學(xué)的2個課題組將歐拉視頻放大技術(shù)應(yīng)用于人體皮膚溫度測量，通過測量皮膚溫度反映人體熱舒適狀態(tài)，并向暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制模塊發(fā)送反饋信號。Cheng等人基于血管和皮膚顏色的細(xì)微變化，建立了皮膚顏色飽和度和皮膚溫度的關(guān)系，提出了一種為暖通空調(diào)系統(tǒng)提供反饋信號的非接觸式人體皮膚溫度測量技術(shù)[60]。隨著血管的擴(kuò)張或收縮，人體皮膚顏色會發(fā)生細(xì)微的變化，尤其是在局部熱刺激下產(chǎn)生的變化更為明顯。雖然該變化肉眼無法察覺，但是經(jīng)過圖像放大處理后這種變化可以被捕捉。

由于血管密集的手背區(qū)域不會被衣服覆蓋，且年輕女性受試者的皮膚對熱刺激敏感，Cheng等人最終確定受試者主要為東亞女性，在45 ℃的溫水中對她們的手部刺激10 min后，對錄像進(jìn)行分析，獲得手背皮膚顏色的飽和度，同時用傳感器記錄她們手背的皮膚溫度，從而建立了皮膚溫度和皮膚顏色飽和度之間的關(guān)系[60]。

由以上研究可知，皮膚顏色飽和度與皮膚溫度呈線性關(guān)系，例如當(dāng)皮膚溫度升高時，毛孔擴(kuò)張，皮膚變紅。而歐拉視頻放大技術(shù)可以準(zhǔn)確分析皮膚顏色飽和度，提取并放大紅、綠、藍(lán)(RGB)皮膚顏色信號。錄制的視頻利用獨(dú)立分量分析(ICA)進(jìn)行后處理，經(jīng)過去噪聲、分離心率后，可實現(xiàn)自動測量心率的效果。通過擴(kuò)大皮膚顏色變化率，并基于特定的線性關(guān)系和ICA后處理技術(shù)，生命體征攝像機(jī)可實現(xiàn)精確測量脈搏和呼吸頻率。采用部分基于非接觸測量的個性化熱舒適模型得到的東亞年輕女性皮膚溫度，其絕對誤差的中值為0.61～1.32 ℃[60]。結(jié)果顯示，通過普通攝像頭與歐拉視頻放大技術(shù)相結(jié)合的非接觸式測量方法，可以提取出人體皮膚溫度信號。微變放大和深度學(xué)習(xí)(NIDL)算法可以結(jié)合NIDL、個體ST模型(NIPST)和iButton傳感器進(jìn)行交叉驗證，進(jìn)一步評估使用歐拉視頻放大技術(shù)的可行性[61]。Cheng等人采用一種基于皮膚敏感指數(shù)(SSI)的非接觸式皮膚溫度測量方法，利用大數(shù)據(jù)對皮膚圖像進(jìn)行深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練[62]。如圖5所示，研究人員提出了一個使用商用相機(jī)和RGB視頻圖像技術(shù)的熱舒適性評估方案[63]。在實驗條件下，采用2種不同的熱條件(高溫30 ℃和低溫20 ℃)刺激坐在計算機(jī)前工作的用戶。攝像頭可以連續(xù)捕捉頭部和面部皮膚的圖像，檢測出血流量的細(xì)微變化，推斷人體體溫和熱舒適的調(diào)節(jié)機(jī)制。人臉檢測、皮膚像素分離、圖像放大和檢測指標(biāo)計算等技術(shù)可以提取視頻中人體的熱舒適信息。在識別過程中，需要消除面部眉毛、胡須等無關(guān)區(qū)域的影響。還需要考慮不同光照可能產(chǎn)生的干擾(放大后的圖像要減去原始圖像，實現(xiàn)對可變的原始色彩強(qiáng)度的考慮)，并消除亮度通道，以減少各種光照的影響。

圖5 歐拉視頻放大技術(shù)與送風(fēng)末端調(diào)節(jié)裝置集成系統(tǒng)[63]

Jazizadeh等人最終對該方案進(jìn)行了可行性評價，21名受試者處于低溫(20 ℃)和高溫(30 ℃)2種環(huán)境溫度下，18名受試者的數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計學(xué)意義，其中16名受試者的數(shù)據(jù)可得到最佳的分析結(jié)果，成功率為89%。結(jié)果表明，利用人體體溫調(diào)節(jié)機(jī)制(血液灌注度變化)和歐拉視頻放大算法對不同環(huán)境溫度下的RGB視頻圖像進(jìn)行分析，可以推斷出熱舒適狀態(tài)[63]。建筑用戶(尤其是辦公建筑)可以使用這種非接觸式平臺，使用常用視頻設(shè)備與個人計算機(jī)進(jìn)行交互，不僅可以實現(xiàn)非接觸式、實時、個性化的熱舒適測量，還能為建筑能源管理系統(tǒng)提供反饋信號。然而，上述實驗要求受試者在測試時保持靜止，僅存在最小化光合運(yùn)動的變化。隨后，Jung等人提出了一個利用遠(yuǎn)距離記錄的面部RGB視頻圖像來提取光電容積描記法(PPG)信號細(xì)微變化的方法，在分離出感興趣區(qū)域后，將獨(dú)立分量分析和最小均方(LMS)自適應(yīng)濾波算法集成到一個框架中，并且在保留PPG信號幅度信息的同時，可以消除不想要的和帶內(nèi)偽影的信息的影響[64]。此外，Jung等人還研究了使用多普勒雷達(dá)感應(yīng)系統(tǒng)來顯示呼吸頻率變化時人員熱舒適的可行性，結(jié)果表明，呼吸頻率變化可以作為人體熱舒適調(diào)節(jié)的一個檢測指標(biāo)，實現(xiàn)對建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的智能控制[65]。

3.3 骨骼關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)模型

人體姿態(tài)識別已經(jīng)廣泛應(yīng)用于視頻游戲、機(jī)器人和醫(yī)學(xué)等不同的領(lǐng)域[66-67]。Toshev等人提出了一種結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的骨骼關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)模型[68-69]。與歐拉視頻放大技術(shù)不同，它可以識別動態(tài)的人體，遠(yuǎn)距離捕捉人員定位信息。骨骼節(jié)點(diǎn)模型的應(yīng)用范圍更廣、系統(tǒng)擴(kuò)展性更強(qiáng)。一個開源軟件OpenPose通過學(xué)習(xí)圖像特征和圖像相關(guān)空間模型[70]實現(xiàn)了單人或多人的人體姿態(tài)估計，并得到較高的準(zhǔn)確度。這使得利用普通數(shù)碼攝像頭來評估熱舒適/熱不舒適相關(guān)姿態(tài)成為可能[71]?；贙inect檢測，Meier等人定義了4種熱相關(guān)姿態(tài)(如圖6所示)[71]。除了人體生理參數(shù)，熱相關(guān)姿態(tài)也可以與熱舒適建立關(guān)系。通過建立熱相關(guān)姿態(tài)庫，兩者之間的關(guān)系將進(jìn)一步得到驗證。利用Kinect的姿態(tài)識別也可以檢測人體代謝率。然而，Kinect受專利保護(hù)[72-73]，其實際應(yīng)用不具有可擴(kuò)展性和經(jīng)濟(jì)性。作為一種替代方案，開源平臺(OpenPose)可以用于生成人體骨骼關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

圖6 基于Kinect的人體姿態(tài)識別[71]

Yang等人定義了12種熱不舒適姿態(tài)：用手擦汗、用手扇風(fēng)、抖T恤、搔頭、卷起袖子、雙臂交叉、雙腿交叉、雙手抱頸、哈氣暖手、跺腳、走路、抖肩膀，同時將所定義的姿態(tài)與問卷調(diào)查結(jié)果進(jìn)行了對比[72]，如圖7所示。該方法與紅外攝像機(jī)相比初始投資小、成本低，不需要額外費(fèi)用。手機(jī)或計算機(jī)攝像頭結(jié)合骨骼節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，與針對靜止人群的歐拉視頻放大技術(shù)不同，它還可以高精度遠(yuǎn)程采集動態(tài)人體節(jié)點(diǎn)[72]。

圖7 基于骨骼關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的人體姿態(tài)識別[72]

因為單獨(dú)使用姿態(tài)確定熱舒適狀態(tài)可能會造成系統(tǒng)誤判，所以必須對來自不同人員的相同姿勢，通過其他測量技術(shù)進(jìn)行交叉驗證。盡管預(yù)測人員活動和代謝率的準(zhǔn)確度仍存在技術(shù)局限[71]，但開發(fā)出的個性化熱舒適模型更好地體現(xiàn)了人與人之間性別、體征等方面的不同。此外，人們在感受到冷/熱時，可能不會表現(xiàn)出預(yù)先定義的姿態(tài)?，F(xiàn)實生活中，熱不舒適姿態(tài)可能不是冷/熱感覺造成的，而是其他無關(guān)因素導(dǎo)致的。例如，跺腳可能是因為鞋子有灰塵而不是人體感到寒冷。上述因素一定程度上限制了骨骼節(jié)點(diǎn)模型在現(xiàn)實中的應(yīng)用。

4 討論

4.1 個體環(huán)境控制

眾所周知，建筑室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)節(jié)不可能滿足每個人的熱偏好。為了實現(xiàn)個人的熱舒適，必須建立個人熱舒適模型，將個人的熱狀態(tài)實時發(fā)送給個人熱舒適控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)智能調(diào)節(jié)的作用下，滿足個人的熱需求。紅外傳感技術(shù)被認(rèn)為是實時測量人體皮膚溫度的有效方法之一。該技術(shù)可以提供平衡能效和個人熱舒適的控制策略。隨著個體環(huán)境控制系統(tǒng)的快速發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，該策略在控制個人保暖或降溫方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

然而，紅外成像技術(shù)有自身的局限性。首先，它只能測量裸露皮膚的溫度，不能測量被衣服覆蓋區(qū)域的溫度。當(dāng)需要測量被覆蓋區(qū)域溫度時，人員必須脫去衣服。盡管面部、手部及下肢的溫度有助于預(yù)測熱感覺，但這些區(qū)域僅占總皮膚面積的很小部分?；诖耍瑴?zhǔn)確預(yù)測整體熱舒適或被覆蓋部位的局部熱舒適是有挑戰(zhàn)性的。其次，紅外相機(jī)的精度較低，其測量精度大多為±2 ℃，這大大降低了實時判斷人員熱舒適的準(zhǔn)確性。精度較高的紅外攝像機(jī)往往價格相對較高。而且紅外圖像的分析結(jié)果還與測試條件、角度、發(fā)射率、背景輻射源等諸多因素有關(guān)。所以，在圖像采集和程序優(yōu)化方面還有更多的研究需要去做。通過對用戶的培訓(xùn)，可以控制可能影響測量精度的因素。

4.2 按需通風(fēng)

實現(xiàn)人員定位和計數(shù)具有多種途徑，如基于圖像/視頻技術(shù)的方法、基于溫度和二氧化碳傳感器的方法、基于被動紅外探測器(PIR)的方法、基于射頻識別(RFID)的方法和基于藍(lán)牙的方法等[74]?；诰矸e網(wǎng)絡(luò)的人臉識別算法對人體頭部、肩部的檢測率達(dá)到95.2%[75]。多視覺傳感器在貝葉斯算法數(shù)據(jù)融合的輔助下，可以提高感知精度[76]。上述研究集中在人員定位的技術(shù)手段上，沒有將其應(yīng)用在暖通空調(diào)領(lǐng)域。

作為一種基于視頻/圖像的非接觸人體姿態(tài)識別系統(tǒng)，骨骼關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)模型不僅可以用于識別人體熱舒適/熱不舒適姿態(tài)，還可以用于人體定位和估計。如圖8所示，在多功能報告廳(教室/會議室)中，可以利用基于骨骼關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)模型的人員定位系統(tǒng)檢測房間運(yùn)行模式，并控制以需求為導(dǎo)向的暖通空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在1.5 s內(nèi)完成圖像采集、提取、三維重建和數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)實時人體定位和姿態(tài)識別[77]。

在以人員需求為導(dǎo)向的通風(fēng)策略中，可以通過改變空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)向、風(fēng)速及風(fēng)量等參數(shù)來滿足人員的冷/熱需求[78]。然而在視頻/圖像處理的非接觸技術(shù)中，數(shù)據(jù)提取、分析和信號傳輸?shù)乃俣瓤煊跈C(jī)械設(shè)備(閥門、風(fēng)機(jī)等)的運(yùn)行速度。這種不匹配或錯誤的調(diào)整，阻礙了按需通風(fēng)技術(shù)和非接觸測量技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用。Zhai等人嘗試了新技術(shù)，將節(jié)能風(fēng)扇與較高的空調(diào)背景溫度組合，不改變室內(nèi)設(shè)定值[79]。節(jié)能風(fēng)扇的調(diào)節(jié)速度與基于視頻/圖像的非接觸傳感技術(shù)相匹配，避免了空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度過慢的限制。但房間的大小、房間形狀不規(guī)則、人員的相互遮擋也是導(dǎo)致視頻/圖像技術(shù)造成誤判的原因。

4.3 睡眠環(huán)境監(jiān)測

人一生中用于睡眠的時間約占整個生命時長的1/3，充足的睡眠時間和良好的睡眠質(zhì)量可以使人體機(jī)能得到恢復(fù)[80-82]。睡眠質(zhì)量受許多因素的影響，如健康狀態(tài)、情緒狀態(tài)、臥具條件和周圍環(huán)境[83]，目前已有大量的研究證明室內(nèi)熱環(huán)境對睡眠質(zhì)量有顯著影響。

以往研究中為評估人體睡眠熱舒適情況，在實驗中通常采用填寫主觀問卷自我評估和使用多導(dǎo)睡眠監(jiān)測儀對受試者的生理參數(shù)進(jìn)行記錄監(jiān)測。主觀問卷是受試者睡醒后對前一天的睡眠情況進(jìn)行回憶，但人的睡眠記憶通常并不準(zhǔn)確，因此會不可避免地產(chǎn)生誤差。盡管多導(dǎo)睡眠圖被認(rèn)為是睡眠分期和睡眠呼吸診斷事件的標(biāo)準(zhǔn)[84]，但是受試者需要佩戴許多相關(guān)儀器部件和粘貼大量用于測量的電極片，此種接觸式的測量方法會對受試者產(chǎn)生較大的心理壓力和不適感，出現(xiàn)較為嚴(yán)重的“首夜效應(yīng)”。雖然在睡眠質(zhì)量檢測中也使用一些半接觸式的測量設(shè)備，如體動記錄儀和智能手環(huán)等，但同樣也會干擾人員的正常睡眠。

有別于白天的生活環(huán)境，處于睡眠狀態(tài)的人員無法按照自己的主觀意志對室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以就有必要對睡眠狀態(tài)下的人體熱舒適進(jìn)行評估?，F(xiàn)有的睡眠熱舒適預(yù)測模型大多是基于人體生理參數(shù)、室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和寢具熱阻等的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，不能被直接用于現(xiàn)實住宅的睡眠環(huán)境控制。而計算機(jī)視頻/圖像處理技術(shù)為實時監(jiān)測人員睡眠熱舒適提供了新的方向，如通過采集人體睡眠時的視頻信息，基于骨骼關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)模型和歐拉視頻放大技術(shù)檢測人體翻身頻率、被子覆蓋比、肢體運(yùn)動、身體局部抖動、下頜運(yùn)動、眼部微小抖動等信息分析睡眠質(zhì)量，這也為后續(xù)睡眠熱環(huán)境的智能化調(diào)控提供了依據(jù)。

4.4 毫米波雷達(dá)

毫米波一般指的是頻域在30～300 GHz之間的電磁波，該類電磁波頻率極高，波長可以達(dá)到毫米級別，其傳播的波形趨近于直線。毫米波雷達(dá)在民用領(lǐng)域的汽車主動安全及輔助駕駛[85-89]、智能交通[90-91]、安檢[92]、臨床治療[93]、室內(nèi)定位[94]等方面得到了大量的應(yīng)用。在工業(yè)、航海、氣象、植保和救援等領(lǐng)域，液位準(zhǔn)確測量雷達(dá)[95]、無人船盲區(qū)感知雷達(dá)[96]、水面目標(biāo)探測雷達(dá)[97]、氣象雷達(dá)[98]、植保無人機(jī)避障雷達(dá)[99]和山火火點(diǎn)定位雷達(dá)[100]發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

毫米波雷達(dá)能夠在復(fù)雜多變的環(huán)境中正常工作，如在光線條件不足、環(huán)境中煙塵較大等視線不良的環(huán)境中仍能保持較好的檢測能力。與目標(biāo)檢測相關(guān)的研究表明，毫米波雷達(dá)可準(zhǔn)確記錄檢測對象位置、生命體征、行為(手勢和動作)、數(shù)目等信息，同時具備低成本、小型化、易用、可維護(hù)等特性。在室內(nèi)人員定位和跟蹤[101-102]方面,毫米波雷達(dá)對人體的檢測局限于外部輪廓，與攝像頭視頻采集技術(shù)相比，可以保護(hù)人員隱私。在生命體征檢測方面，通過檢測心跳和呼吸信號實時了解室內(nèi)人員行為狀態(tài)[101-102]。在人機(jī)交互方面，不影響人員正常工作的前提下，通過采集動作[103-104]和手勢[105-106]信號控制暖通空調(diào)系統(tǒng)(如圖9所示)。基于以上3種應(yīng)用，毫米波雷達(dá)在暖通空調(diào)領(lǐng)域的按需通風(fēng)和個體微環(huán)境控制方面有較好的前景。

在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的研究表明，傳感器融合系統(tǒng)為樓宇自動化等系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。毫米波雷達(dá)可以提供高精度、高實時性的遠(yuǎn)距離測距信息，但其虛警率高、目標(biāo)定位精度低等缺點(diǎn)也較為明顯。攝像機(jī)可以提供比雷達(dá)更加規(guī)范的空間信息，因此可以作為視覺傳感器彌補(bǔ)毫米波雷達(dá)的不足，同時毫米波雷達(dá)也可以彌補(bǔ)攝像機(jī)測距精度不足的缺點(diǎn)[107]。在視覺傳感器給建筑裝上“眼睛”的基礎(chǔ)上，毫米波雷達(dá)給建筑裝上了“耳朵”，進(jìn)一步提高了感知精度，為暖通空調(diào)系統(tǒng)提供滿足人體熱舒適的控制信號。

5 總結(jié)與展望

計算機(jī)視覺/視頻圖像處理、紅外傳感領(lǐng)域新技術(shù)的快速發(fā)展，促進(jìn)了從接觸式到非接觸式測量和傳感方法的發(fā)展。主要研究成果和未來發(fā)展方向如下：

圖9 動作和手勢檢測示例[104-105]

1) 配備有無需冷卻型紅外探測器且低成本、體積小的熱成像儀，可以集成到智能手機(jī)中。冷卻型紅外探測器在未來可以進(jìn)一步小型化。為了提高熱成像儀的精度，還應(yīng)開發(fā)更智能的校正方法。

2) 采用歐拉視頻放大技術(shù)檢測皮膚溫度從弱熱刺激到強(qiáng)熱刺激的變化。視頻圖像處理技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步去除了不需要的皮膚區(qū)域，從而提高了準(zhǔn)確性，并且避免了人員活動的影響。

3) 應(yīng)用人體骨骼關(guān)鍵點(diǎn)模型進(jìn)行人體熱不適/熱舒適姿態(tài)測試，并建立人體熱不舒適/熱舒適姿態(tài)庫。采用交叉驗證的方法測試實際的姿勢是否與某些熱不舒適相關(guān)。該技術(shù)可以為暖通空調(diào)控制系統(tǒng)提供反饋信號。

4) 基于計算機(jī)視覺的非接觸技術(shù)會造成人員隱私的問題。毫米波雷達(dá)、PIR傳感器等人員檢測技術(shù)的發(fā)展為解決該問題帶來了可能，給建筑裝上了“耳朵”。保護(hù)用戶隱私的同時實現(xiàn)了個體熱舒適信息的采集。但該技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用并不完善，還需要開展更多的研究。

本文淺析了計算機(jī)視覺等領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)在暖通空調(diào)控制信號采集領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展前景。所選取的個別案例的詳細(xì)資料獲取受限，因此未能進(jìn)行全面評估，特別是一些詳細(xì)的技術(shù)特點(diǎn)，例如感應(yīng)頻率、產(chǎn)生的信號噪聲和過濾策略，以及與現(xiàn)有樓宇系統(tǒng)的潛在兼容性等。因此，需進(jìn)一步研究特定的計算和傳感過程、有效的數(shù)據(jù)采集方法，以及在考慮實際成本、魯棒性和實用性的同時進(jìn)行全面評估。