大流量人體紅外測(cè)溫篩查方法研究

何少杰,胡 月，鹿 瑋,田 宇,高延爍,肖萁宣

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所,北京 100015;2.航天恒星科技有限公司，北京 10094)

1 引 言

新型冠狀病毒感染疫情從2020年1月底開始大面積爆發(fā),該病毒傳染性強(qiáng),危險(xiǎn)性高。1月底正值春運(yùn)時(shí)期,返鄉(xiāng)及回城旅客流量大、持續(xù)久,人員密集區(qū)域疫情防控壓力大。在機(jī)場(chǎng)樞紐、火車站、客運(yùn)站等人流密集地區(qū),做好疫情初檢工作,降低疾病傳播風(fēng)險(xiǎn),篩選出高溫發(fā)熱患者,是疫情防控的重要環(huán)節(jié)?；诩t外測(cè)溫的廣域遠(yuǎn)距離大流量人群體溫篩查設(shè)備在此次疫情防控中得到了廣泛應(yīng)用,并取得了一定的成效[1]。本文針對(duì)現(xiàn)有紅外測(cè)溫篩查設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的不足,提出了基于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的大流量人體紅外測(cè)溫篩查方法,并得到實(shí)際驗(yàn)證。

2 紅外測(cè)溫篩查原理

只要高于絕對(duì)零度的物體,都會(huì)向外輻射能量,其輻射能包括各種波長(zhǎng),其中波長(zhǎng)范圍在0.76～1000 μm之間的稱為紅外光波。紅外光的物理特性具有很強(qiáng)的熱效應(yīng),溫度越高,發(fā)出的熱輻射越強(qiáng),這正是紅外測(cè)溫技術(shù)所感興趣的。紅外測(cè)溫技術(shù)的理論基礎(chǔ)是普朗克分布定律,該定律揭示了黑體輻射能量在不同溫度下按波長(zhǎng)的分布規(guī)律,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

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式中,Ebλ為黑體光譜輻射通量密度,W·cm-2μm-1；c1稱為第一輻射常數(shù),c1=3.7415×10-12W·cm2；c2稱為第二輻射常數(shù),c2=1.43879×10-12cm·K；λ為光譜輻射的波長(zhǎng),μm；T為黑體的熱力學(xué)溫度,K。

紅外測(cè)溫的基本結(jié)構(gòu)包括:光學(xué)鏡頭和紅外探測(cè)器。紅外熱像儀可以將接收到的紅外波段的熱輻射能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào),經(jīng)過放大、補(bǔ)償,AD轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號(hào),在顯示器上通過圖像顯示出來。圖像中的每一個(gè)點(diǎn)的灰度值與被測(cè)物體上該點(diǎn)發(fā)出并到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器件的輻射能量相對(duì)應(yīng)。經(jīng)過運(yùn)算,就可以從紅外熱像儀的圖像上讀出被測(cè)物體表面的每一個(gè)點(diǎn)的輻射溫度值,這是紅外測(cè)溫的基本原理[2],如圖1所示。

圖1 紅外測(cè)溫基本結(jié)構(gòu)框圖

為了提高測(cè)溫準(zhǔn)確性,目前紅外測(cè)溫篩查設(shè)備多與可見光人臉識(shí)別、目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合:在可見光圖像下檢測(cè)人臉區(qū)域,采用基于 Faster-RCNN、YOLO系列等深度學(xué)習(xí)算法,增強(qiáng)數(shù)據(jù)集的適用性,提高對(duì)非正臉、戴口罩的臉的檢測(cè)準(zhǔn)確性和檢測(cè)速度。利用PNN、LVQ 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行人臉朝向識(shí)別,對(duì)人臉候選框進(jìn)行朝向判斷,進(jìn)一步確定人臉額頭區(qū)域?？梢姽馀c熱紅外的圖像配準(zhǔn)部分,利用特征點(diǎn)匹配方法實(shí)現(xiàn)圖像的精確配準(zhǔn),實(shí)時(shí)地將可見光圖像的人臉額頭區(qū)域映射到熱紅外圖像上,有效地解決不同成像距離的圖像配準(zhǔn)偏差[3]。最后根據(jù)預(yù)先設(shè)置的高溫閾值,篩查人群中的疑似高溫人員。如圖2所示,紅外測(cè)溫篩查設(shè)備包括紅外采集模塊、可見光采集模塊、計(jì)算處理模塊和多媒體顯示模塊等四個(gè)部分。

圖2 紅外測(cè)溫篩查設(shè)備組成框圖

相應(yīng)的,如圖3所示,紅外測(cè)溫篩查設(shè)備具有視頻圖像采集功能,包括獲取人體紅外熱成像、人臉等圖像信息,紅外熱成像圖像中除了視頻信號(hào)外還包含了溫度幀,作為原始溫度的輸入；以及通過分析處理與顯示功能,包括目標(biāo)檢測(cè)、溫度分析和數(shù)據(jù)分析,并提供信息顯示和存儲(chǔ)功能,并能根據(jù)設(shè)定的溫度閾值實(shí)現(xiàn)對(duì)疑似高溫被測(cè)目標(biāo)的自動(dòng)報(bào)警。

圖3 紅外測(cè)溫篩查設(shè)備功能模塊圖

3 紅外測(cè)溫篩查應(yīng)用中的不足之處

紅外測(cè)溫篩查應(yīng)用中存在的主要不足之處有:

1)熱像儀自身因溫漂、環(huán)境溫度、大氣透過率等因素導(dǎo)致測(cè)溫不準(zhǔn)。

2)熱像儀視場(chǎng)中存在熱力管、熱飲、暖氣等干擾熱源導(dǎo)致測(cè)溫結(jié)果偏高。

3)熱像儀與被測(cè)人員之間的距離引起的溫衰問題,如在有效測(cè)溫作用距離內(nèi),同一人員離熱像儀越遠(yuǎn)測(cè)溫結(jié)果越低。

4)人體本身的生理特征導(dǎo)致的測(cè)溫、預(yù)警不準(zhǔn),例如人員面部表面溫度不等同于體溫,此外人體溫度會(huì)隨環(huán)境、時(shí)間等因素的變化而變化,這對(duì)紅外測(cè)溫篩查設(shè)備判定某個(gè)人是否為疑似發(fā)燒人員都會(huì)帶來困難。

上述不足中,前三個(gè)均存在有效的解決手段:

針對(duì)第一點(diǎn),可通過優(yōu)化紅外測(cè)溫篩查設(shè)備測(cè)溫算法[4-9]以及配套參考黑體的方法能夠大大提升紅外測(cè)溫篩查設(shè)備的測(cè)溫準(zhǔn)度,目前市面主流紅外測(cè)溫篩查設(shè)備的都能將測(cè)溫誤差控制在±0.3 K以內(nèi)(設(shè)定測(cè)溫距離下)。

針對(duì)第二點(diǎn),通過可見光人臉識(shí)別輔助確定熱像儀測(cè)溫范圍的方法[10],熱像儀只測(cè)量人臉范圍內(nèi)的溫度數(shù)值,能夠有效排除干擾熱源的影響。

針對(duì)第三點(diǎn),可通過對(duì)被測(cè)目標(biāo)光學(xué)測(cè)距方法得到被測(cè)目標(biāo)距離,在對(duì)應(yīng)的距離上通過距離-溫度曲線做被測(cè)目標(biāo)溫度補(bǔ)償修正[10]。

本文重點(diǎn)論述第四個(gè)不足之處的解決方法。

本文采用的方法是用紅外測(cè)溫篩查設(shè)備在一小段時(shí)間內(nèi)、相似場(chǎng)景下測(cè)得大量人員的額頭溫度,根據(jù)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)算法,將個(gè)人額頭溫度轉(zhuǎn)換為正常人平均體溫附近的某一溫度,表示為該人的體溫,人的正常體溫范圍為36～37 ℃[11],我們?nèi)?6.5 ℃為正常人的平均體溫。為了統(tǒng)一名稱,我們將轉(zhuǎn)換前的紅外測(cè)溫篩查設(shè)備測(cè)得人員額頭溫度稱為體表溫度,轉(zhuǎn)換后的溫度為顯示溫度。具體轉(zhuǎn)換方法在下一節(jié)介紹。

4 大流量人群測(cè)溫篩查方法

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其次,通過紅外測(cè)溫篩查設(shè)備的外置溫度傳感器測(cè)得的環(huán)境溫度,通過將紅外測(cè)溫篩查設(shè)備測(cè)得的體表溫度歸一化為人體在該環(huán)境溫度下的體溫?cái)?shù)值,并將其呈現(xiàn)在溫度顯示界面上。由于紅外測(cè)溫篩查設(shè)備只能測(cè)得額頭的表面溫度,該數(shù)值受環(huán)境溫度及測(cè)溫距離影響,由于選用的紅外測(cè)溫篩查設(shè)備已經(jīng)給距離溫衰作了溫度補(bǔ)償,因此須根據(jù)環(huán)境與體溫的對(duì)應(yīng)關(guān)系,將測(cè)得的第n名人員的額溫近似歸一化為體溫Tn,即顯示溫度。轉(zhuǎn)換公式如下:

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最后,結(jié)合雙光成像、人臉識(shí)別、篩查,設(shè)備完整的工作流程如圖4所示。

圖4 紅外測(cè)溫篩查設(shè)備工作流程

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文選用中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所研制的BOPCLU-640ST型人體紅外測(cè)溫傳感器用作測(cè)溫篩查設(shè)備,紅外探測(cè)器采用640×512,17 μm氧化釩探測(cè)器,紅外光學(xué)視場(chǎng)達(dá)到31°×25°,可實(shí)現(xiàn)大范圍、大流量人員測(cè)溫；同時(shí)配備1080P高清廣角可見光攝像機(jī)用作人臉檢測(cè)。實(shí)物如圖5所示。

圖5 紅外測(cè)溫篩查設(shè)備實(shí)際安裝圖

通過紅外測(cè)溫篩查設(shè)備分別在冬季(2月,測(cè)試環(huán)境溫度16 ℃)和夏季(8月,測(cè)試環(huán)境溫度28 ℃)測(cè)得兩組對(duì)比數(shù)據(jù),被測(cè)人員距紅外測(cè)溫篩查設(shè)備均為5 m,紅外測(cè)溫篩查設(shè)備所有參數(shù)都一致,每組數(shù)據(jù)包含紅外測(cè)溫篩查設(shè)備測(cè)得額頭體表溫度、經(jīng)數(shù)據(jù)處理后設(shè)備的顯示溫度以及被測(cè)人員的真實(shí)腋下溫度(用腋下溫度近似為人體溫度)。其中冬季樣本容量為201人次,夏季樣本容量為204人次,具體如圖6和7所示。

圖6 冬季實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 夏季實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從冬季和夏季的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出:

1)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,紅外測(cè)溫篩查設(shè)備測(cè)得的額頭體表溫度均被線性轉(zhuǎn)換到36.5℃附近,顯示溫度符合體溫讀數(shù)習(xí)慣。

2)每個(gè)被測(cè)人員的顯示溫度與真實(shí)腋下體溫誤差較小,且受環(huán)境溫度變化影響較小。其中冬季測(cè)溫誤差為:0.12 ℃(RMS),夏季測(cè)溫誤差為:0.11 ℃(RMS)。能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求。大流量場(chǎng)景下的實(shí)際應(yīng)用如圖8所示。

圖8 實(shí)際應(yīng)用測(cè)溫界面

6 結(jié) 語

本文針對(duì)紅外測(cè)溫篩查設(shè)備常見不足,提出了基于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的大流量人群測(cè)溫篩查方法,結(jié)合高分辨率、大視場(chǎng)的紅外測(cè)溫篩查設(shè)備,經(jīng)過不同季節(jié)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用,驗(yàn)證了這種方法在大流量場(chǎng)景下的測(cè)溫準(zhǔn)確性。后續(xù),我們將在此測(cè)溫篩查設(shè)備的基礎(chǔ)上形成區(qū)域聯(lián)網(wǎng),對(duì)重點(diǎn)區(qū)域形成人員體溫常態(tài)化監(jiān)測(cè),為相關(guān)部門提供區(qū)域人員體溫變化支撐。