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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor, der ein Erfassungssystem
aufweist, welches eine Verdeckung erkennt, sowie ein Verfahren zur Bestimmung,
ob das Sichtfeld eines Sensors verdeckt wurde.
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Sensoren
werden für
vielfältige
Sicherungs- und Sicherheitsanwendungen verwendet, beispielsweise
zur Feuer- oder Einbruchserfassung. Diese Sensoren verwenden oft
thermische Detektoren.
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Ein
Typ eines allgemein verwendeten Thermodetektors ist ein pyroelektrischer
Einzelelement-Detektor, oft passiver Infrarotsensor (PIR-Sensor)
genannt. Diese Sensoren sind so ausgeführt, dass sie auf die Wärmesignatur
eines sich bewegenden Körpers
oder sich bewegender Körper
in einem bestimmten Sichtfeld reagieren. Typischerweise sind die
Empfindlichkeit und das Sichtfeld solcher Sensoren für eine spezifische
Anwendung ausgebildet. Beispielsweise sind ein Einbruchsalarm oder
automatisierte Beleuchtungssysteme generell so ausgebildet, dass
sie durch die Bewegung eines menschlichen Körpers ausgelöst werden.
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Die
PIR-Sensoren sind jedoch dadurch anfällig, dass sie verdeckt oder
abgedeckt werden können.
Eine solche Abdeckung könnte
vorsätzlich
erfolgen, beispielsweise durch Abdeckung des Sensors mit einem für Infrarot
undurchsichtigen Material oder durch Besprühen des Fensters mit einem
solchen Material und das könnte
verdeckt geschehen. Der einzige Weg, um zu testen, ob ein Sensor
funktioniert, ist der Versuch, eine Reaktion auszulösen, indem
man beispielsweise im Raum umhergeht. Hierfür ist jedoch eine positive
Aktion in Form eines Tests erforderlich und, je nach Empfindlichkeit
des Sensors, könnte
das nicht möglich
sein. So könnte
beispielsweise ein Sensor so ausgebildet sein, dass er Feuer erfaßt, aber
die Bewegungen eines Menschen ignoriert, und es wäre daher
zum Testen der Funktion eine intensive Infrarot-Quelle erforderlich.
Der Sensor könnte
auch unbeabsichtigt verdeckt werden, indem beispielsweise durch
das Sichtfeld Möbel
oder andere Materialien bewegt werden.
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US-Patent 6 239 698 beschreibt
ein Detektor-Array, welches befähigt
ist, bei einer Abdeckung Alarm zu geben. Hier weist der Sensor ein
Detektor-Array auf, und eine Ausleseeinrichtung zeigt die Signale
von allen Detektoren im Array. Wenn der Sensor abgedeckt ist, zeigt
die Mehrzahl der Detektoren eine signifikante Impulsänderung.
Der Sensor zeigt solch eine Änderung
an allen Detektorelementen an, und wenn diese Änderung erfaßt wurde,
erzeugt er ein Signal, welches anzeigt, dass der Detektor abgedeckt
sein kann.
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Ein
derartiges System funktioniert in korrekter Weise allerdings nur,
wenn die Aktion der Abdeckung des Sensors sich innerhalb des vorgegebenen Schwellenwertes
bewegt. Wenn der Sensor die Einführung
der Abdeckung in das Sichtfeld nicht erfaßt hat, kann das Vorliegen
einer Abdeckung unbemerkt bleiben.
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Die
US-Patentanmeldung 2001/024513 A1 beschreibt eine Überwachungsvorrichtung,
die zwischen einem aktuellen und einem gespeicherten Bild ein Differenzbild
erzeugt und aus dem Differenzbild eine Änderung im aktuellen Bild beurteilt,
d.h. über das
Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines eindringenden Körpers.
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Die
internationale Patentanmeldung
WO 00/73996 A beschreibt eine ein sich bewegendes
Objekt verfolgende Vorrichtung, die ein erhaltenes und gespeichertes
Hintergrundbild mit einem aktuellen Bild vergleicht, um die Position
des sich bewegenden, zu verfolgenden Objekts zu bestimmen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist daher ein Sensor angegeben, der ein Array von Detektorelementen,
einen Speicher zur Speicherung eines vom Detektor im nicht abgedeckten
Zustand erzeugten Bildes und eine Prozessoreinrichtung für einen periodischen
Vergleich des aktuellen Bildes von den Detektorelementen mit dem
gespeicherten Bild und zur Erzeugung eines Alarms umfaßt, wenn
das aktuelle Bild signifikant vom gespeicherten Bild abweicht.
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Der
Begriff Bild bedeutet das Ausgangssignal aller Detektorelemente
und impliziert nicht notwendigerweise ein erkennbares oder hochwertiges Bild.
Auch braucht ein solches Bild nicht irgendwo angezeigt zu werden.
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Das
Ausgangssignal jedes Detektorelements hängt von dem Teil der Szene
ab, die dieses sieht. Üblicherweise
besteht die Szene aus Merkmalen mit unterschiedlichen Strahlungseigenschaften, daher
sind unter normalen Bedingungen die Ausgangssignale unterschiedlicher
Detektoren auch unterschiedlich. Dieses normale Ausgangssignal kann in
einem Speicher gespeichert werden. Wird eine Abdeckung eingeführt, können die
Detektoren die Szene nicht mehr sehen, sie sehen nur noch die Abdeckung.
Hierdurch ändert
sich das Ausgangssignal des Detektor-Arrays. Das Bild der Abdeckung
ist somit vom gespeicherten Bild verschieden, was genutzt werden
kann, um einen Alarm auszulösen,
der darüber
informiert, dass der Sensor abgedeckt sein kann.
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Der
Prozessor vergleicht bevorzugt die räumlichen Merkmale im gespeicherten
und im aktuellen Bild. Die normale Szene des Detektors enthält allgemein
eine Reihe von Merkmalen. Ein in einem Raum montierter Sensor könnte zum
Beispiel ein Sichtfeld haben, welches eine Ecke eines Raumes, eine
Tür oder
einige Möbelstücke einschließt. Demgegenüber kann
eine abgedeckte Szene vorwiegend ohne Merkmale sein. Das Fehlen
vorher vorhandener Merkmale kann dann als Indikator für die Abdeckung
des Sensors genutzt werden.
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Bevorzugt
wird im gespeicherten Bild und im aktuellen Bild der Betrag einer
Struktur mit hoher Raumfrequenz miteinander verglichen. Mit Raumfrequenz
sind Merkmale gemeint, die einen scharfen Kontrast in den benachbarten
Pixeln im Bild abgeben, wie sie beispielsweise an den Kanten von
Gegenständen
angetroffen werden. Eine hohe Raumfrequenz im Bild ist allgemein
mit physikalischen Gegenständen
in der Szene verbunden, die dauernd vorhanden sein können und
die deshalb als zuverlässiges
Mittel zur Erfassung einer Abdeckung verwendet werden können.
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Das
gespeicherte Bild ist zweckmäßigerweise
eine Karte von Bereichen mit Details hoher Raumfrequenz im Bild,
und der Prozessor analysiert das aktuelle Bild, um zu sehen, ob
die Bereiche mit Details hoher Raumfrequenz vorhanden sind.
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Fehlt
auf einem großen
Teil des Bildes das Detail mit hoher Raumfrequenz, kann das ein
Hinweis darauf sein, dass der Sensor abgedeckt ist, und der Prozessor
kann einen Alarm erzeugen.
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Das
Bild vom Detektor-Array wird zweckmäßigerweise mit einem Hochpaßfilter
gefiltert. Hierdurch werden die Kanten im Bild betont. Das Bild
wird dann zur Beseitigung von dynamischem Rauschen bevorzugt zeitlich über eine
Reihe von Frames gemittelt. Zur Bestimmung von Bereichen mit Details
hoher Raumfrequenz kann das zeitlich gemittelte, hochpaßgefilterte
Bild dann mit Liniensegment-Kernels in einen Bereich von Orientierungen
gefaltet werden.
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Das
Detektor-Array ist zweckmäßigerweise ein
Array von thermischen Detektoren. Das Detektor-Array kann ein Mikrobolometer-Array
sein.
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Das
Detektor-Array braucht keine große Anzahl von Elementen zu
haben, ein Array von 64 × 64 ist
ausreichend.
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Der
Prozessor kann in regelmäßigen Abständen automatisch
das gespeicherte Bild und das aktuelle Bild miteinander vergleichen,
oder eine Testphase kann von einem Benutzer initiiert werden.
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Das
gespeicherte Bild kann beim ersten Anfahren eines Sensors erhalten
werden. Wenn der Speicher leer war, könnte der Sensor automatisch
ein Bild erhalten und speichern. Der Prozessor kann auch so ausgeführt sein,
dass er als Reaktion auf ein Steuersignal das gespeicherte Bild
durch ein neu erhaltenes Bild ersetzt. Wenn signifikante Änderungen im
Raum vorgenommen wurden, kann der Sensor auf diese Weise ein neues
Bild erhalten und zukünftig nutzen.
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Der
Prozessor kann auch so ausgeführt
sein, dass er das gespeicherte Bild auf der Grundlage von später erhaltenen
Bildern modifiziert. Auch wenn ein Sensor nicht abgedeckt worden
ist, könnte
es einige Unterschiede zwischen dem gespeicherten und dem aktuellen
Bild geben. So könnten
beispielsweise einige Gegenstände
im Raum, z. B. Möbel,
von Zeit zu Zeit bewegt werden. Der Rest des Bildes, Wände, Türen usw.
können
gleich sein. In einem solchen Fall könnte der Alarm nicht ausgelöst werden,
aber das gespeicherte Bild könnte
verfeinert werden und sich gerade auf die Bereiche beziehen, die
sich nicht ändern.
Auf diese Weise kann die Anfälligkeit
für falschen
Alarm verringert und die Zuverlässigkeit
eines Alarms bei einer Abdeckung verbessert werden.
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In
einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Bestimmung angegeben,
ob das normale Sichtfeld eines Sensors, der ein Array von Detektorelementen
enthält,
verdeckt ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte enthält: Aufnahme
eines aktuellen Bildes durch den Sensor, Vergleich des erhaltenen Bildes
mit einem früher
erhaltenen Bild des normalen Sichtfeldes, Bestimmung, ob es zwischen
den zwei Bildern einen signifikanten Unterschied gibt, und Aktivierung
eines Alarms, wenn es einen signifikanten Unterschied gibt.
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Das
Verfahren umfaßt
bevorzugt den Schritt der Verwendung eines Hochpaßfilters
für das
erhaltene Bild. Das Verfahren umfaßt ferner den Schritt der zeitlichen
Mittelung einer Reihe von Frames zur Ausbildung des erhaltenen Bildes.
Der Schritt des Vergleichs der erhaltenen und gespeicherten Bilder wird
zweckmäßigerweise
durch Auffinden des Bereichs mit Details hoher Raumfrequenz im erhaltenen Bild
und einen Vergleich desselben mit der Lage des Details hoher Raumfrequenz
im gespeicherten Bild durchgeführt.
Fehlt das Detail hoher Raumfrequenz im erhaltenen Bild, das im gespeicherten
Bild vorhanden ist, führt
dieses Fehlen zur Auslösung
des Alarms.
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Das
erhaltene Bild kann ein Wärmebild
und ein Bild mit 64 × 64
Pixeln sein.
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Die
Erfindung ist im folgenden unter Bezug auf die folgenden Zeichnungen
beschrieben; es zeigen:
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1 einen
Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung,
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2a ein
Wärmebild,
das von einem Detektor gemäß 1 erzeugt
wurde, und
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2b das
gleiche Bild, in dem die Bereiche mit hoher Raumfrequenz gekennzeichnet
sind,
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3 ein
Flußdiagramm
des Betriebs der Vorrichtung gemäß dem vorliegenden
Verfahren.
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In 1 wird
eine Strahlung 12 von einer Szene von der Optik 2 auf
ein Detektor-Array 4 fokussiert. Das Detektor-Array 4 ist
ein Mikrobolometer-Array zur Erfassung von Infrarot-Strahlung, beispielsweise
von 64 × 64
Elementen. Das Ausgangssignal von jedem Element 4a im Array
hängt von
der Intensität
der Infrarot-Strahlung ab, die an dem Teil des Arrays von der Szene
ankommt.
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Das
Ausgangssignal vom Array wird dem Prozessor 8 zugeführt. Der
Prozessor 8 kann mit dem Detektor-Array 4 im gleichen
Gehäuse
oder auch in einiger Entfernung angeordnet sein. Ein einzelner Prozessor
kann mit mehreren verschiedenen Detektor-Arrays verbunden sein.
Der Prozessor 8 kann auch derselbe Prozessor sein, der
den Sensor funktionell, beispielsweise die Bewegungserfassung, steuert.
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Der
Prozessor 8 ist mit dem Speicher 6 verbunden.
Der Speicher 6 speichert das verarbeitete Bild, das vom
normalen Sichtfeld des Sensors erhalten wurde. Der Prozessor 8 enthält einen
Taktgeber (nicht gezeigt) und vergleicht in regelmäßigen Abständen, eventuell
einmal pro Tag, das augenblickliche Bild mit dem früher erhaltenen
Bild, das im Speicher 6 in der Art gespeichert ist, wie
im Folgenden unter Bezug auf 3 beschrieben
ist. Sind die Bilder nicht signifikant verschieden, geschieht nichts. Sind
die Bilder aber signifikant verschieden, aktiviert der Prozessor 8 den
Alarm 10 wodurch angezeigt wird, dass der Sensor abgedeckt
sein kann.
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2a zeigt
ein typisches Bild, das von einem Array thermischer Detektoren erhalten
wurde, wie in 1 dargestellt. Es ist zu erkennen,
dass das Bild einen Raum zeigt. Die Türöffnung und ein Tisch sind deutlich
erkennbar. Die Kanten 20 der Gegenstände im Raum sind Merkmale mit
hoher Raumfrequenz. Es ist zu erkennen, dass die linke Kante der Türöffnung beispielsweise
eine feste Kante ist, und dass es einen scharfen Kontrast zwischen
den Pixeln an den beiden Seiten dieser Kante gibt. Als andere feste
Kanten sind die Kante der Tischplatte oder die Ecke des Raums zu
erkennen. Die Gegenwart dieser Merkmale kann verwendet werden, um
zu bestimmen, ob der Sensor abgedeckt wurde. Wenn eine Abdeckung
aus einem für
Infrarot undurchlässigen Material über das
gesamte Sichtfeld des Sensors angebracht wurde, ist das Wärmebild
wahrscheinlich über
das gesamte Sichtfeld der Sensoren annähernd einheitlich, und es gibt
keine Merkmale mit hoher Raumfrequenz. Auch wenn einige Merkmale
mit hoher Raumfrequenz vorhanden wären, ist es unwahrscheinlich,
dass deren Position mit den Merkmalen der Szene übereinstimmt.
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In 2b sind
die Bereiche mit Details hoher Raumfrequenz im Bild hervorgehoben.
Die Kanten der Türöffnung,
der Tisch und die Raumecke leisten alle ihren Beitrag zu den Details
hoher Raumfrequenz. Diese Karte kann vom Sensor gespeichert und
mit zukünftigen
Bildern verglichen werden, wie im Folgenden beschrieben.
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Das
erzeugte Wärmebild
hängt von
der Wärmeverteilung
im Raum ab, der sowohl eine hohe als auch eine niedrige Raumfrequenz-Struktur hat. Das aktuell
gemachte Bild enthält
jedoch auch Beiträge durch
das statische, Pixel-unabhängige
Rauschen, bei dem es sich um ein Festmuster-Rauschen aufgrund uneinheitlicher
Detektorreaktionen handelt. Es liegt ferner auch dynamisches, Pixel-unabhängiges und
dynamisches Leitungsstruktur-Rauschen vor, das von der Stromversorgung,
von Multiplexern usw. stammt.
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In 3 wird
das Bild 30 erhalten und dann zur Identifizierung der Merkmale
mit hoher Raumfrequenz verarbeitet. Das erhaltene Bild wird zunächst hochpaßgefiltert 32,
ein Verfahren, das den Fachleuten vertraut ist. Hierdurch treten
die Kanten im Bild deutlicher hervor, jedoch nimmt auch die Wirkung
der erwähnten
Rauschquellen zu. Die hochpaßgefilterten Bilder
werden dann zeitlich über
aufeinanderfolgende Frames gemittelt 34, um das dynamische
Rauschen zu beseitigen. Die Kanten mit hoher Raumfrequenz haben
eine gewisse Ausdehnung im Bildraum, während das Festmuster-Rauschen keine solche Struktur
hat. Das Bild besteht daher aus Linien, Kurven und einem kleineren
Kantensegment sowie aus dem Rauschen. Das verarbeitete Bild wird
daher mit Liniensegment-Kernels
in einem Bereich von Orientierungen gefaltet 36, um die
Bereiche des Bilds zu bestimmen, die ein Detail mit hoher Raumfrequenz enthalten.
Wie das Bild auf diese Weise im Einzelnen gefaltet wird, ist dem
Fachmann bekannt. Dann wird eine Karte mit Details hoher Raumfrequenz
im erhaltenen Bild erzeugt 38 und mit einem gespeicherten Bild 42 verglichen 40.
Das gespeicherte Bild ist wiederum eine Karte mit einer Struktur
hoher Raumfrequenz, die unter Verwendung der gleichen Verarbeitung
des vom normalen Sichtfeld des Sensors aufgenommen Bildes erhalten
wurde. 2b ist ein Beispiel für eine derartige
Karte mit Details hoher Raumfrequenz.
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Wenn
die zwei Karten im wesentlichen gleich sind 44, erfolgt
keine weitere Aktion, bis das nächste Bild
aufgenommen werden soll. Gibt es jedoch wesentliche Unterschiede,
d.h. ein Detail mit einer hohen Frequenz fehlt im größeren Teil
des Bildes, wird ein Alarm aktiviert, um zu warnen, dass der Sensor abgedeckt
sein kann. Der Alarm kann in beliebiger Form erfolgen, beispielsweise
könnte
eine Warnlampe auf einer Steuerkonsole brennen oder der Sensor könnte einen
hörbaren
Alarm hervorbringen.
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Obwohl
ein bestimmter Typ eines Infrarot-Detektors beschrieben wurde, kann
die Erfindung auch auf andere Typen eines Detektor-Arrays, beispielsweise
eines Ultraviolett-Detektor-Arrays oder auf sichtbare Detektor-Arrays
angewendet werden.