CN111257976A - 一种菲涅尔透镜组及含有该菲涅尔透镜组的热释电红外人体姿态估计系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及红外检测及跟踪技术领域，更具体地，涉及一种菲涅尔透镜组及含有该菲涅尔透镜组的热释电红外人体姿态估计系统。一种菲涅尔透镜组，包含若干菲涅尔透镜块，所述菲涅尔透镜块呈人形分布，包含头部区域透镜块、躯干部区域透镜块、手部区域透镜块、腿部区域透镜块，对应采集人体头部、躯干部、手部、腿部的红外光。一种热释电红外人体姿态估计系统，含有所述的菲涅尔透镜组和热释电探测器。本发明通过改变菲涅尔透镜组内菲涅尔透镜块的布局以适应人体体型，提出一种针对人体运动姿态检测场景的人体姿态估计系统，提高系统的测量精度。

Description

一种菲涅尔透镜组及含有该菲涅尔透镜组的热释电红外人体 姿态估计系统
技术领域
本发明涉及红外检测及跟踪技术领域，更具体地，涉及一种菲涅尔透镜组及含有该菲涅尔透镜组的热释电红外人体姿态估计系统。
背景技术
人体姿态估计热释电红外传感系统是一种能检测人体发出的红外线而输出电信号的传感系统，因其功耗低、成本低以及灵敏度高等优点而被广泛应用于人体特征识别、方位检测等领域。其原理是人体运动形态与人体红外辐射能量变化间存在一定的对应关系，通过对红外传感器输出电信号进行分析，就能提取出人体运动的相关特征信息，从而实现对人体不同运动状态的识别，为人体姿态估计提供了一种低成本的解决方案。随着体感游戏(一种通过肢体动作变化来进行操作的电子游戏)和虚拟现实的兴起，如何快速准确地检测出人体四肢运动信息成为研究热点，但目前市面上的菲涅尔透镜由于其检测区域的限制，很难有效地提取人体四肢信息。且目前该领域国内外研究多集中在算法层面，热释电红外人体姿态估计系统所采用的菲涅尔透镜均是市面上易于购得的半球形或半柱形菲涅尔透镜，并未针对人体形态和具体使用场景进行专门的菲涅尔透镜设计，因而降低了系统测量精度。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术的至少一种不足，提供一种菲涅尔透镜组，对菲涅尔透镜组中的各透镜块进行人形布局，提高菲涅尔透镜组的聚光能力，实现对人体红外信号的响应及人体不同运动状态的识别。
本发明的另一目的在于提供一种热释电红外人体姿态估计系统，其能在复杂场景下对人体姿态快速、低成本地检测，用于解决现有检测系统难以有效地提取人体四肢信息的问题，提高系统的测量精度。
本发明采取的技术方案是：
一种菲涅尔透镜组，所述菲涅尔透镜组包含若干菲涅尔透镜块，所述菲涅尔透镜块呈人形分布，包含头部区域透镜块、躯干部区域透镜块、手部区域透镜块、腿部区域透镜块，对应采集人体头部、躯干部、手部、腿部的红外光。本发明菲涅尔透镜组划分对应人体各部位的探测区域，其中空白部分为暗区，透镜部分为明区，目的是使探测明区尽量拟合并覆盖人体的四肢以及躯干，每个菲涅尔透镜块负责采集人体不同部位的红外光。
所述手部区域透镜块包含手部区域透镜块A和手部区域透镜块B。手部区域透镜块A和手部区域透镜块B呈左右分布，对应人体左右手臂区域。
所述腿部区域透镜块包含腿部区域透镜块A和腿部区域透镜块B。腿部区域透镜块A和腿部区域透镜块B呈左右分布，对应人体左右腿区域。
所述躯干部区域透镜块位于所述菲涅尔透镜组的中心，所述头部区域透镜块位于所述躯干部区域透镜块的上方，所述手部区域透镜块A位于所述躯干部区域透镜块的左方，所述手部区域透镜块B位于所述躯干部区域透镜块的右方，所述腿部区域透镜块A位于所述躯干部区域透镜块的左下方，所述腿部区域透镜块B位于所述躯干部区域透镜块的右下方。透镜块的区域分布与人体各部位相互匹配。
所述手部区域透镜块A包含第一手部区域透镜块、第二手部区域透镜块，所述第二手部区域透镜块、第一手部区域透镜块由左到右排列；所述手部区域透镜块B包含第三手部区域透镜块、第四手部区域透镜块，所述第三手部区域透镜块、第四手部区域透镜块由左到右排列。将左右手臂的手部区域进行细分，使得透镜块采集的手部动作信息更加丰富和准确。
所述腿部区域透镜块A包含第一腿部区域透镜块、第二腿部区域透镜块，所述第一腿部区域透镜块、第二腿部区域透镜块由上到下排列；所述腿部区域透镜块B包含第三腿部区域透镜块、第四腿部区域透镜块，所述第三腿部区域透镜块、第四腿部区域透镜块由上到下排列。将腿部区域进行细分，使得透镜块采集的腿部动作信息更加丰富和准确。
所述躯干部区域透镜块的尺寸为8mm×12mm，X方向倾斜角为0°，Y方向倾斜角为0°；所述头部区域透镜块的尺寸为8mm×4mm，X方向倾斜角为5.58°～5.60°，Y方向倾斜角为0°；所述第一手部区域透镜块和第三手部区域透镜块的尺寸为2.5mm×8mm，X方向倾斜角为0°，Y方向倾斜角为6.31°～6.33°；所述第二手部区域透镜块和第四手部区域透镜块的尺寸为2.5mm×8mm，X方向倾斜角为0°，Y方向倾斜角为12.52°～12.54°；所述第一腿部区域透镜块和第三腿部区域透镜块的尺寸为6mm×2.5mm，X方向倾斜角为-7.04°～-7.06°，Y方向倾斜角为2.47°～2.49°；所述第二腿部区域透镜块和第四腿部区域透镜块的尺寸为6mm×2.5mm，X方向倾斜角为-13.96°～-13.98°，Y方向倾斜角为2.42°～2.44°。通过对各菲涅尔透镜块的大小、方位和角度上的设计，提高菲涅尔透镜组的聚光能力。
所述菲涅尔透镜组整体前表面曲率半径为43.6mm～43.8mm，后表面曲率半径为45.1mm～45.3mm，中心厚度为0.55mm～0.65mm。经过仿真得到最优的菲涅尔透镜组表面曲率和中心厚度参数，使整个透镜组的用料少但对人体动作信息的识别效果好。
所述菲涅尔透镜块材料为聚甲基丙烯酸甲酯，所述PMMA的折射率为Nd＝1.491756，阿贝数为Vd＝57.4408。
一种热释电红外人体姿态估计系统，含有所述的菲涅尔透镜组，该系统还包括热释电探测器。人体不同部位发出的红外光经过菲涅尔透镜组后分别汇聚到热释电探测器上。当人体在热释电探测器的敏感区域内运动时，热释电探测器将输出连续的时域信号，这种模拟信号中包含有与人体运动形态有关的特征信息。通过比对热释电探测器上的信号有无以及强弱变化，利用主成分分析、随机森林等统计学习方法，对模拟信号中的一些时、频域信息进行处理后，实现对人体姿态的判别估计，如当人体双臂平展开时，两侧的热释电探测器将有信号激发，当双臂下垂时，两侧探测器信号将减弱。
所述热释电探测器分为6个部分，分别为6个敏感元大小为2mm×1mm、视场角为100°×100°的热释电探测器。6个探测器对应探测人体的头部、躯干部、手部和腿部，其中手部分为左右两侧区域、腿部分为左右两侧区域。所述热释电探测器对强烈的白光以及电磁辐射具有优异的抗干扰性能。由于一般热释电探测器的电压响应度达到3000～3800V/W，因此可以满足对人体不同部位红外光的响应，进而实现人体姿态的准确估计。
人体发出的红外线光束，经过菲涅尔透镜块，耦合后经一定距离的自由空间传输，光线汇聚到热释电探测器上。入射红外光除一部分以杂散光形式被损耗外，大部分光线正确地汇聚到探测器上。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明对菲涅尔透镜组内的各透镜块进行人形布局，能获取更多的人体四肢运动信息；
(2)本发明通过对各菲涅尔透镜块的大小、方位和角度上的设计，提高菲涅尔透镜组的聚光能力；
(3)本发明通过改变菲涅尔透镜组的结构以适应人体体型，提出一种针对人体运动姿态检测场景的人体姿态估计系统，提高系统的测量精度。
附图说明
图1为现有技术中热释电红外探测器系统示意图。
图2为菲涅尔微结构xz面的截面图。
图3为探测器上的光斑图。
图4为本发明的菲涅尔透镜组对应的人体各部位检测区域图。
图5为本发明的菲涅尔透镜块的布局图。
图6为含有该菲涅尔透镜组的热释电红外人体姿态估计系统示意图。
图中包含1-菲涅尔透镜组；11-头部区域透镜块；12-躯干部区域透镜块；13-手部区域透镜块A；132第一手部区域透镜块；131-第二手部区域透镜块；14-手部区域透镜块B；141-第三手部区域透镜块；142-第四手部区域透镜块；15-腿部区域透镜块A；151-第一腿部区域透镜块；152-第二腿部区域透镜块；16-腿部区域透镜块B；161-第一腿部区域透镜块；162-第二腿部区域透镜块；2-热释电探测器。
具体实施方式
本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
如图1所示，为现有技术中热释电红外探测器(PIR)系统示意图。大部分PIR系统如该图所示，外界的红外光线入射到菲涅尔透镜阵列后被折射，折射光汇聚到光电探测器上获取光电信号。菲涅尔透镜阵列的主要作用有两点：一是将空间划分为若干明暗相间的探测区域，二是增大探测器的探测距离，可以将感应距离从1～2米增加到8米左右。当目标体行经探测区域时探测器将会产生电信号，通过对电信号进行分析，从而提取有价值的运动信息。
为了提高菲涅尔透镜组的聚光能力和获取更多的人体四肢运动信息，本发明设计了一种新型的基于热释电红外传感器的人体姿态估计系统，设计过程如下：
一、菲涅尔微结构透镜阵列构建：
菲涅尔透镜是球面透镜拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度，使透镜连续表面部分“坍陷”到一个平面上，在实现球面透镜的光线偏转与汇聚功能的同时，菲涅尔透镜厚度远小于球面透镜，从而大大降低光学系统尺寸。因此设计时，首先将球面镜设计成自由曲面面形以达到所要求的光束汇聚效果，然后将自由曲面面形保留并转化为菲涅尔微结构，从而形成菲涅尔微结构透镜。
在z轴方向上，以△h高度等高地对自由曲面进行分割，并转移至同一基面，即可构成菲涅尔透镜微结构。
如图2所示，为菲涅尔微结构xz面的截面图。
在设计中用锥形偶次自由曲面模型来描述，该模型的自由表面矢高z由式(1)描述：
Figure BDA0002379992100000051
上式中，c是表面中心处的曲率；r是径向高度；αi是非球面系数；k是二次曲面系数，k<-1时为双曲面，k＝-1时为抛物面，-1<k<0时为椭圆，k＝0时为球面，k>1时为扁椭圆。
由公式(1)定义的菲涅尔透镜的每一个小平面沿着z轴有一个恰当的偏移，所有的小平面均起始于有相同z坐标的中心顶点，这样就使得生成的透镜有相关的最小体积。
为降低加工难度和成本，设计的菲涅尔微结构透镜一个表面为自由曲面，另一个表面为平面。选用常见的PMMA作为透镜材料，其折射率为Nd＝1.491756，阿贝数为Vd＝57.4408。设计中的探测器采用德国海曼公司的LHI968，它的敏感元面积为2×1mm2，对强烈的白光以及电磁辐射具有优异的抗干扰性能，能满足设计的要求。计算过程中设定人体辐射的远红外线中心波长9.6微米。
根据公式(1)计算得到菲涅尔微结构各入射面的系数在表1中列出，菲涅尔透镜块、探测器的尺寸和倾斜角度在表2中给出。
表1菲涅尔微结构主要设计参数
Figure BDA0002379992100000052
表2菲涅尔微结构主要尺寸
Figure BDA0002379992100000061
二、结果
计算过程中设置人体头部、手部、腿部以及躯干辐射功率分别为1.5W，2W，2.5W和25W。人体发出的红外线光束，经过菲涅尔微结构耦合后经一定距离的自由空间传输，光线汇聚到探测器上。6个探测器上的光斑图如图3所示，光能利用率分别为96.70％、94.8％、96.95％、97.75％、90.65％和90.15％。以上结果说明入射红外光除一部分以杂散光形式被损耗外，大部分光线正确地汇聚到了探测器上。由于LHI968探测器的电压响应度达到3000～3800V/W，因此可以满足对人体不同部位红外光的响应。
实施例
如图4所示，为以上过程设计得到的菲涅尔透镜组，所述菲涅尔透镜组包含若干菲涅尔透镜块，所述菲涅尔透镜块呈人形分布，包含头部区域透镜块11、躯干部区域透镜块12、手部区域透镜块、腿部区域透镜块，对应采集人体头部、躯干部、手部、腿部的红外光。菲涅尔透镜组划分对应人体各部位的探测区域，其中空白部分为暗区，透镜部分为明区，目的是使探测明区尽量拟合并覆盖人体的四肢以及躯干，每个菲涅尔透镜块负责采集人体不同部位的红外光，并据此功能对透镜块命名为头部、手部、腿部和躯干部。
进一步地，所述手部区域透镜块包含手部区域透镜块A13和手部区域透镜块B14。手部区域透镜块A13和手部区域透镜块B14呈左右分布，对应人体左右手臂区域。
进一步地，所述腿部区域透镜块包含腿部区域透镜块A15和腿部区域透镜块B16。腿部区域透镜块A15和手部区域透镜块B16呈左右分布，对应人体左右腿区域。
进一步地，所述躯干部区域透镜块12位于所述菲涅尔透镜组的中心，所述头部区域透镜块11位于所述躯干部区域透镜块12的上方，所述手部区域透镜块A13位于所述躯干部区域透镜块12的左方，所述手部区域透镜块B14位于所述躯干部区域透镜块12的右方，所述腿部区域透镜块A15位于所述躯干部区域透镜块12的左下方，所述腿部区域透镜块B16位于所述躯干部区域透镜块12的右下方。
进一步地，如图5所示，所述手部区域透镜块A13包含第一手部区域透镜块132、第二手部区域透镜块131，所述第二手部区域透镜块131、第一手部区域透镜块132由左到右排列；所述手部区域透镜块B14包含第三手部区域透镜块141、第四手部区域透镜块142，所述第三手部区域透镜块141、第四手部区域透镜块142由左到右排列。
进一步地，所述腿部区域透镜块A15包含第一腿部区域透镜块151、第二腿部区域透镜块152，所述第一腿部区域透镜块151、第二腿部区域透镜块152由上到下排列；所述腿部区域透镜块B16包含第三腿部区域透镜块161、第四腿部区域透镜块162，所述第三腿部区域透镜块161、第四腿部区域透镜块162由上到下排列。
进一步地，所述躯干部区域透镜块12的尺寸为8mm×12mm，X方向倾斜角为0°，Y方向倾斜角为0°；所述头部区域透镜块11的尺寸为8mm×4mm，X方向倾斜角为5.58°～5.60°，Y方向倾斜角为0°；所述第一手部区域透镜块132和第三手部区域透镜块141的尺寸为2.5mm×6mm，X方向倾斜角为0°，Y方向倾斜角为6.31°～6.33°；所述第二手部区域透镜块131和第四手部区域透镜块142的尺寸为2.5mm×6mm，X方向倾斜角为0°，Y方向倾斜角为12.52°～12.54°；所述第一腿部区域透镜块151和第三腿部区域透镜块161的尺寸为6mm×2.5mm，X方向倾斜角为-7.04°～-7.06°，Y方向倾斜角为2.47°～2.49°；所述第二腿部区域透镜块152和第四腿部区域透镜块162的尺寸为6mm×2.5mm，X方向倾斜角为-13.96°～-13.98°，Y方向倾斜角为2.42°～2.44°。
通过定制化的透镜块形状设计，增强系统对人体不同姿态的识别和检测能力。进一步地，所述菲涅尔透镜块可为自由曲面透镜，其中一个表面为自由曲面，另一个表面为平面。
进一步地，所述菲涅尔透镜组整体前表面曲率半径为43.6mm～43.8mm，后表面曲率半径为45.1mm～45.3mm，中心厚度为0.55mm～0.65mm。所述菲涅尔透镜块材料为聚甲基丙烯酸甲酯，所述PMMA的折射率为Nd＝1.491756，阿贝数为Vd＝57.4408。
如图6所示，一种热释电红外人体姿态估计系统，含有所述的菲涅尔透镜组1，该系统还包括热释电探测器2。人体不同部位发出的红外光经过菲涅尔透镜组1后分别汇聚到热释电探测器上。当人体在热释电探测器2的敏感区域内运动时，热释电探测器2将输出连续的时域信号，这种模拟信号中包含有与人体运动形态有关的特征信息。通过比对热释电探测器2上的信号有无以及强弱变化，利用主成分分析、随机森林等统计学习方法，对模拟信号中的一些时、频域信息进行处理后，实现对人体姿态的判别估计，如当人体双臂平展开时，两侧的热释电探测器将有信号激发，当双臂下垂时，两侧探测器信号将减弱。每一个菲涅尔透镜块对应一个检测区域，所述菲涅尔透镜组1的检测范围包含了人体头、躯干、左右手及腿的区域，使检测系统能有效地提取人体四肢信息，因此检测精度更高。
所述热释电探测器分为6个部分，分别为6个敏感元大小为2mm×1mm、视场角为100°×100°的LHI968探测器。6个探测器对应探测人体的头部、躯干部、手部和腿部，其中手部和腿部分为左右两侧区域。所述LHI968探测器为德国海曼公司的产品，对强烈的白光以及电磁辐射具有优异的抗干扰性能。由于LHI968探测器的电压响应度达到3000～3800V/W，因此可以满足对人体不同部位红外光的响应，进而实现人体姿态的准确估计。
人体发出的红外线光束，经过菲涅尔透镜块，耦合后经一定距离的自由空间传输，光线汇聚到热释电探测器上。入射红外光除一部分以杂散光形式被损耗外，大部分光线正确地汇聚到探测器上。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种菲涅尔透镜组，其特征在于，所述菲涅尔透镜组包含若干菲涅尔透镜块，所述菲涅尔透镜块呈人形分布，包含头部区域透镜块、躯干部区域透镜块、手部区域透镜块、腿部区域透镜块，对应采集人体头部、躯干部、手部、腿部的红外光。
2.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜组，其特征在于，所述手部区域透镜块包含手部区域透镜块A和手部区域透镜块B。所述腿部区域透镜块包含腿部区域透镜块A和腿部区域透镜块B。
3.根据权利要求2所述的菲涅尔透镜组，其特征在于，所述躯干部区域透镜块位于所述菲涅尔透镜组的中心，所述头部区域透镜块位于所述躯干部区域透镜块的上方，所述手部区域透镜块A位于所述躯干部区域透镜块的左方，所述手部区域透镜块B位于所述躯干部区域透镜块的右方，所述腿部区域透镜块A位于所述躯干部区域透镜块的左下方，所述腿部区域透镜块B位于所述躯干部区域透镜块的右下方。
4.根据权利要求3所述的菲涅尔透镜组，其特征在于，所述手部区域透镜块A包含第一手部区域透镜块、第二手部区域透镜块，所述第二手部区域透镜块、第一手部区域透镜块由左到右排列；所述手部区域透镜块B包含第三手部区域透镜块、第四手部区域透镜块，所述第三手部区域透镜块、第四手部区域透镜块由左到右排列。
5.根据权利要求4所述的菲涅尔透镜组，其特征在于，所述腿部区域透镜块A包含第一腿部区域透镜块、第二腿部区域透镜块，所述第一腿部区域透镜块、第二腿部区域透镜块由上到下排列；所述腿部区域透镜块B包含第三腿部区域透镜块、第四腿部区域透镜块，所述第三腿部区域透镜块、第四腿部区域透镜块由上到下排列。
6.根据权利要求5所述的菲涅尔透镜组，其特征在于，所述躯干部区域透镜块的尺寸为8mm×12mm，X方向倾斜角为0°，Y方向倾斜角为0°；所述头部区域透镜块的尺寸为8mm×4mm，X方向倾斜角为5.58°～5.60°，Y方向倾斜角为0°；所述第一手部区域透镜块和第三手部区域透镜块的尺寸为2.5mm×8mm，X方向倾斜角为0°，Y方向倾斜角为6.31°～6.33°；所述第二手部区域透镜块和第四手部区域透镜块的尺寸为2.5mm×8mm，X方向倾斜角为0°，Y方向倾斜角为12.52°～12.54°；所述第一腿部区域透镜块和第三腿部区域透镜块的尺寸为6mm×2.5mm，X方向倾斜角为-7.04°～-7.06°，Y方向倾斜角为2.47°～2.49°；所述第二腿部区域透镜块和第四腿部区域透镜块的尺寸为6mm×2.5mm，X方向倾斜角为-13.96°～-13.98°，Y方向倾斜角为2.42°～2.44°。
7.根据权利要求6所述的菲涅尔透镜组，其特征在于，所述菲涅尔透镜组整体前表面曲率半径为43.6mm～43.8mm，后表面曲率半径为45.1mm～45.3mm，中心厚度为0.55mm～0.65mm。
8.根据权利要求7所述的菲涅尔透镜组，其特征在于，所述菲涅尔透镜块的材料成分为聚甲基丙烯酸甲酯。
9.一种热释电红外人体姿态估计系统，其特征在于，含有权利要求1至8任一项所述的菲涅尔透镜组和热释电探测器。
10.根据权利要求9所述的热释电红外人体姿态估计系统，其特征在于，所述热释电探测器分为6个部分，分别为6个敏感元大小为2mm×1mm、视场角为100°×100°的热释电探测器。
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