智慧感測器解說 - 不同類型和應用
Smart Sensor Explained - Different Types and Applications
Military+Aeorspace Electronics
國土安全和軍事人員，越來越依賴智慧感測器技術進行監視和電子情報。
考特尼·E·霍華德
每天有超過 100 萬乘客和行人、327,000 輛汽車和 70,000 個集裝箱通過其港口進入美國。「隱藏在合法旅行者和貿易中的，是試圖非法進入這個國家或在入境口岸和入境海關之間走私違禁品的人，包括潛在的恐怖分子，」這資訊來源是 2007 年國土安全狀況；為美國國會眾議院國土安全委員會準備的國土安全部年度報告書。
美國國土安全部 (DHS) 和美國軍方的使命部分，是確保國家及其公民的保護、安全和保障。科學技術在這一使命中發揮著越來越重要的作用。事實上，國土安全部的主要研發部門科學技術局正在與私營企業、國家實驗室、大學、國內外政府機構和軍方合作，以推動開發和使用支持國家安全的高科技解決方案。國土安全和軍事界共同在技術方面取得重大進展，特別是在情報和監視等重要領域。
「相對於反恐行動，它們可能是我們擁有的最重要的行動，」Quantum3D Inc. 的總裁羅斯史密斯指出，該公司是商業現貨 (COTS)、開放式架構、即時視覺的供應商。加利福尼亞州聖荷西的計算解決方案。「情報和監視是我們能夠在計劃階段發現恐怖行為並及時中斷以挽救生命的唯一方法。如果你想想 9/11 或英國或西班牙的火車爆炸事件，只有可能被監視放大的情報才能發現這些事件的計劃並可能有助於阻止它們。」
滿足關鍵需求
「情報和監視對美國的國土安全和國防至關重要，」DRS 國土安全解決方案公司總裁安德魯·帕蒂斯基承認，該公司是位於新澤西州帕西帕尼的 DRS 技術公司的一個部門，「成功檢測和分類有害威脅有助於確保我們的身體健康。艱鉅的任務是對可能具有威脅性的危險化學品、材料、爆炸物和人員進行檢測和分類。挑戰不僅在於從安全距離提前正確檢測威脅，而且要非常迅速地做到這一點，以限制對旅行、貿易和商業的影響。」
Partynski 建議，應該通過應用當今先進的雷達、感測器、攝影機和軟體來應對這一非常現實的挑戰，而不是透過建造柵欄或圍牆。「這些技術 —— 適用於關鍵基礎設施、機場、海港、陸地邊界、入境海關，以及內陸水道和沿海邊界 —— 在收集關鍵資訊的同時，限制了它們對我們日常生活的影響。」
DRS Technologies 的工程師是智慧和監視技術的整合商，也是組件技術的製造商，從雷達和紅外線攝影機到實體安全系統和指揮控制系統 - 是波音公司在聖路易斯領導的團隊的一部分。聖路易斯正在研究 SBInet，該網路由國土安全部於 2006 年發起，目的在開發人員、基礎設施、技術和快速響應的綜合系統，以確保美國陸地邊界的安全。
這一具有里程碑意義的計劃，目的在為國土安全部及其代理人、官員和合作夥伴（包括美國海關和邊境保護局、美國移民和海關執法局、美國公民和移民服務局以及美國海岸警衛隊人員）提供最佳解決方案，以幫助他們檢測、辨識、分類、響應和解決美國邊境的非法入境企圖和其他問題。「SBInet 是一個專注於透過技術和基礎設施改變邊境控制的項目，」波音公司的一位代表解釋說。
DRS 工程師為 SBInet 計劃的情報和監視系統，以及邊界的基於塔的整合監視系統提供了系統工程。DRS Technologies 的經理在國土安全和國防方面獲得了 CMMI 5 級認證，他們推出了 DRS Homeland Security Solutions Inc.，專門用於滿足國土安全市場的需求。
Partynski 承認，人是我們總是發現短缺的關鍵資產，尤其是那些在情報和監視方面受過廣泛培訓的人。「這些操作員數量眾多，無法監控保護我們國家安全所需的所有系統。解決方案是將這些監控系統自動化，以便大部分工作由系統本身完成。」
智慧感測器
需要能夠減少操作員工作量，並使一個人能夠有效地管理多個監控系統的技術解決方案。輸入智慧感測器。
「智慧感測器是我們未來佈署智慧和監視系統的目標，」Partynski 承認。「無需雷達專家或 SIGINT（信號情報）專家，甚至無需人員連續盯著攝影機影像，即可檢測、追踪和分類威脅的自動化系統，將使美國能夠佈署一個安全、誤報率低的全國性系統，並且只有在檢測到真正的威脅時才會提示操作員。」
自動化解決方案在降低人員成本的同時，也有助於節省時間。史密斯承認，很多技術都在收集大量數據。「關鍵問題，」他說，「是如何縮短收集、處理和評估之間的時間？」
「如果你必須手動查看來自數千台攝影機的影像，那是沒有希望的，」Smith 說。「這就是為什麼我們如此熱衷於‘智慧’應用，在這些應用中，攝影機或採集系統，能夠進行初步分析，然後將有趣的東西報告，給可以進一步評估數據的人類。”
「攝影機本身會處理圖像，」史密斯在談到 Appian 的一個智慧攝影機項目時說。「它可以根據數據庫對它們進行測試，並簡單地報告標籤資訊、時間和位置，或者如果需要，它可以提供放大的資訊，例如照片。」 他繼續說，在需要人類之前，讓人類脫離循環可以節省大量時間。
位於英格蘭 Bourne End 的 Appian Technology PLC 的經理選擇了 Quantum3D 的嵌入式視覺計算子系統 1.0 版 (EVCS-1.0) 用於其 Appian Stinger 智慧自動車牌辨識 (ANPR) 攝影機。新的 Appian Stinger 攝影機可辨識交通中的車牌，並使用整合的無線和有線通信技術（包括 GPRS/GSM、3G、IEEE 802.11 和 IEEE 802.3）向交通和警察當局報告結果。
Appian Stinger 將 Appian 高性能 Cobra 攝影機的光學和感測器組件與 Quantum3D EVCS-1.0 相結合。可擴展的解決方案可以透過各種攝影機和紅外線照明選項進行優化，以適應各種環境條件和捕獲點。使用者可以即時遠端調整設置，也可以使用攝影機連接和控制其他電子感測器和系統，例如專用短程通信 (DSRC)、射頻辨識 (RFID)、速度和紅色光檢測裝置。
Quantum3D EVCS-1.0 是一種 COTS、開放式架構、符合 RoHS 標準的傳導冷卻解決方案，專為機器視覺、交通監控和安全原始設備製造商 (OEM) ，以及其他需要先進的嵌入式視覺計算能力的公司而設計。EVCS 能夠承受極端溫度波動的惡劣環境條件，採用英特爾移動 CPU 和 Quantum3D Eidetix 高級視頻採集和處理系統 (AVCPS)。該 COTS 子系統使 EVCS-1.0 能夠在 Microsoft Windows 或 Linux 操作環境中，同時捕獲和處理多達四個 NTSC、PAL 或 RS-170 複合影像串流。其 PC 應用程式相容性，能夠將基於桌上型和筆電的應用程式快速佈署到固定或移動擴展環境中。
感測器拯救生命
Partynski 說，除了提供有關潛在威脅的關鍵資訊外，情報和監視系統還為美國邊境偏遠地區的人們提供了安全網。 「人們經常陷入迷路、被困或成為犯罪受害者的境地。廣泛佈署這些技術，將透過使用先進的雷達、感測器、攝影機和軟體，或透過他們的手機或無線電來定位陷入困境的人們，從而幫助他們找到麻煩。這些技術使我們能夠確定活動是否不正常，並保證有人仔細觀察並可能提供幫助。」
自 2006 年以來，美國海軍人員一直在使用 Cross Match Technologies 的可穿戴式多模式跳躍套件。該套件的生物辨識系統，幫助他們在特定的攔截行動中辨識船上感興趣的人員。擴大海上攔截行動（EMIO），由海軍在世界各地的船隻登船搜捕（VBSS）小組執行，在防止走私違禁品和非法武器，以及拘留和逮捕已知的國際恐怖嫌疑人方面發揮作用。
「帶有 Quantum3D Thermite 戰術視覺電腦系統的交叉比對多生物辨識系統，將基於 PC 的工作站的強大功能，帶到了船隻登船和扣押操作中，」美國海軍 Cmdr 解釋說。 John Funn，遠征系統助理項目經理，海上反恐（PMS 480）。 「該系統允許 EMIO 團隊在被攔截的船隻上，收集和轉發潛在恐怖分子、走私者和其他國際犯罪分子的生物特徵數據。」
海軍人員使用 Cross Match 多模式跳躍套件，以指紋形式從船上感興趣的人那裡收集生物特徵數據。然後將這些數據與國家和國際警察，以及國家安全數據庫中，已知犯罪分子和恐怖分子的指紋數據進行比較，從而能夠準確辨識個人並防止使用虛假身份證件。
「透過在被攔截船隻上安裝生物辨識系統，人員可以立即得到驗證，」史密斯說。「它為盟軍人員提供了即時的、可操作的資訊，他們可以用來阻止正在進行的犯罪行為。」
Cross Match 套件中，包括小尺寸、輕量級的 Thermite TVC-2.0 Model 1000。Thermite TVC 結合了 PC 相容性、影像捕獲和顯示、圖形功能、I/O 選項（如 GPS）和軍用規格加固，使其非常適合於可穿戴的 2D/3D 圖形，和影像密集型佈署的無人機/無人地面車輛 (UAV/UGV) 控制、任務規劃、生物辨識、電腦輔助維護，以及指揮、控制、通信、電腦、情報、監視和偵察 (C4ISR) 應用。
Thermite TVC 系統，採用嵌入式計算和具有影像捕獲和顯示選項的移動圖形設計，採用傳導冷卻技術的擴展環境封裝，並支持 Linux 和 Windows 操作系統，以實現桌上型電腦和筆電應用程式的快速遷移，到佈署 Quantum3D 代表說。這款可穿戴式電腦具有行動性、電池壽命長、堅固耐用和即時可視化功能，有利於國土安全、軍事和執法人員。
Smith 看到了在現場進行更複雜、佈署的處理，以及在指揮中心進行後端分析的巨大機會，並且繼續向前發展。「我們還將看到來自行動系統的更多監控資訊，例如無人機和警車中的有機資源，而不僅僅是固定攝影機，」他預測道。
佈署的發展
位於鳳凰城的北美安富利電子行銷技術總監 Joe Tillison 指出，影像監控是用於邊境執法、海港安全，以及關鍵基礎設施和關鍵資源 (CI/KR) 保護的系統中的關鍵要素。「在傳統的監控攝影機中添加複雜的板載處理功能，可以將其從僅僅一個遠端的眼睛，提升為一個可以自動化並協助辨識，和辨識威脅的智慧系統。」
Tillison 補充說，這些類型的設備正被用於自動化日常安全任務，例如監視人群、禁區、下班後門禁，以及需要監控視野內的任何運動，以發現非法活動。他說，今天的解決方案甚至可以利用臉部辨識算法，在受控入境海關的人群中搜索已知感興趣的人。
Avnet 發布了影像監控設計套件，為工程師提供處理和圖像感測方面的最新創新。該套件結合了愛達荷州博伊西市美光科技公司的 CMOS 圖像感測器和馬薩諸塞州諾伍德市 ADI 公司的雙核 Blackfin 處理器，為設計具有 IP 網路功能的智慧攝影機的專業人士，提供了一個硬體開發平台。該套件目的在幫助開發人員，將控制和信號處理與 CMOS 圖像感測器相結合，以分析數位影像以實現運動檢測、威脅分析和警報功能，從而創建智慧攝影機應用。
安富利套件中的硬體元素與客戶的軟體 IP 相結合，以適應用於國土安全和國防的不同影像分析應用。蒂里森解釋說，具有聯網功能的固定遠端智慧攝影機，可以持續監控緩衝區的入侵，並向附近的邊境巡邏官員提供圖像警報。此外，板載影像分析與寬動態範圍感測器（如美光的 MT9V032）相結合，使智慧攝影機能夠適應不斷變化的光照條件，並使用複雜的模式/運動分析，來避免由野生動物或其他錯誤來源引起的誤報。
「憑藉其板載計算能力，智慧攝影機在搜索已知威脅時，提供了不懈的警惕，否則這些威脅可能會立即逃脫關注，」蒂里森繼續說道。「這種自動化的即時分析擴大了執法機構的範圍和能力。此外，一旦影像數據進入數位域，就可以使用現有的 IT（資訊技術）基礎設施輕鬆遠端儲存或在機構之間共享資訊。」
儘管聯網智慧攝影機的好處很多，但它們並非沒有技術限制，即網路頻寬和處理吞吐量。由於網路頻寬和處理器性能的限制，人們必須在攝影機解析度、幀速率和數據壓縮技術上進行權衡。
智慧編碼器
位於加利福尼亞州桑尼維爾的 Stretch Inc. 是一家生產軟體定義處理器的無晶圓半導體公司，其產品行銷總監 Mark Oliver 說：「僅僅將影像傳送到中央監控站只是問題的開始，它必須傳播到可以發揮最佳效果的領域。」
現場查看設備的計算能力和解析度要求差異很大，提出了挑戰。 「當前的編解碼器（編碼器/解碼器）無法提供動態更改解析度、幀速率和頻寬要求所需的靈活性，而無需進行昂貴的計算處理，」Oliver 繼續說道。 「該行業的未來將是新一代可擴展影像編解碼器，其輸出可以直接傳輸到手持設備和高清監視器。 IP（網路協議）技術使大規模影像監控和最終影像的長距離傳輸成為可能。」
影像流數量的持續成長，也使監控變得困難。Oliver 表示，這一挑戰為引入分析以指導監控活動，並提高其有效性奠定了基礎。「分析與攝影機電子設備的更緊密耦合，將使比特率和圖像處理能夠優化數據捕獲和儲存，以及帶寬消耗。」
技術進步可能會克服在佈署的防禦和安全應用中，廣泛採用智慧監控設備的這些障礙。智慧感測器和智慧攝影機機，以及相關的 IT 硬體和分析軟體的使用，不僅會成長，而且在可預見的未來還會加速用於國土安全和國防。「越來越複雜的影像監控系統，將繼續成為任何安全戰略的關鍵組成部分，」蒂爾森預測，「保護財產和人員。」
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