謝征宇， 曹志威， 李永玲， 秦勇， 于格

（1.北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，北京100044；2.中關(guān)村軌道交通視頻與安全產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟，北京100089；3.北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044）

0 引言

新型冠狀病毒（COVID-19）自爆發(fā)以來(lái)，在人群中迅速傳播，對(duì)人們?nèi)粘Ｉ?、?jīng)濟(jì)、社會(huì)都造成嚴(yán)重影響。近期，全國(guó)多數(shù)城市逐步開(kāi)始復(fù)工復(fù)產(chǎn)，而堅(jiān)持科學(xué)防控疫情、保證安全有序仍是大前提。采用基于視頻的乘客口罩佩戴檢測(cè)技術(shù)及非接觸測(cè)溫技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)接觸測(cè)量進(jìn)站乘客體溫，實(shí)時(shí)辨識(shí)站內(nèi)乘客口罩佩戴情況，可有效提高檢查效率，擴(kuò)大監(jiān)察范圍，保障軌道交通場(chǎng)所和廣大乘客的安全。在此，針對(duì)基于視頻的乘客口罩佩戴檢測(cè)技術(shù)和非接觸測(cè)溫技術(shù)，介紹相關(guān)技術(shù)原理及發(fā)展現(xiàn)狀，以及在當(dāng)前情況下軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用的解決方案，助力軌道交通系統(tǒng)更好地完成防疫任務(wù)。

1 基于視頻的乘客口罩佩戴檢測(cè)方案

在新冠肺炎疫情爆發(fā)后，一些企業(yè)和研究人員投入到口罩佩戴檢測(cè)研究中，在較短時(shí)間內(nèi)完成了數(shù)據(jù)集制作和算法開(kāi)發(fā)。截至目前，針對(duì)口罩佩戴檢測(cè)的研究可分為2個(gè)方面：（1）開(kāi)源算法。以百度公司為首的人工智能企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)，將口罩佩戴檢測(cè)代碼開(kāi)源，供所有研究人員和企業(yè)免費(fèi)使用。（2）方案提供。以華為技術(shù)有限公司（簡(jiǎn)稱華為）、杭州?？低晹?shù)字技術(shù)股份有限公司（簡(jiǎn)稱海康威視）為代表的企業(yè)完成了口罩佩戴檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，已應(yīng)用于部分軌道交通車站。

1.1 口罩佩戴檢測(cè)算法

口罩佩戴檢測(cè)屬于目標(biāo)檢測(cè)，目的是定位人臉或口罩位置，并對(duì)其進(jìn)行分類，進(jìn)而判斷人是否佩戴口罩。目前，開(kāi)源和應(yīng)用的口罩檢測(cè)算法均基于深度學(xué)習(xí)，通過(guò)設(shè)計(jì)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，訓(xùn)練標(biāo)注的人臉和口罩?jǐn)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)口罩檢測(cè)的目的。

百度公司首先開(kāi)源了口罩佩戴檢測(cè)算法，并提供落地部署、模型訓(xùn)練和優(yōu)化升級(jí)等服務(wù)，目前已廣泛應(yīng)用于多家企業(yè)。其開(kāi)源算法PyramidBox［1］網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，該算法原本用于人臉檢測(cè)，但在口罩檢測(cè)中也取得出色效果。PyramidBox是一種上下文輔助的單步檢測(cè)算法，通過(guò)3方面改進(jìn)充分利用上下文的信息。首先，設(shè)計(jì)了一種新穎的上下文錨點(diǎn)（anchor），同時(shí)學(xué)習(xí)口罩、頭部和身體的特征信息促進(jìn)模型擬合。其次，百度公司提出一種低維特征金字塔網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)將高級(jí)語(yǔ)義特征和低級(jí)口罩特征融合在一起。最后，引入上下文感知預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增加網(wǎng)絡(luò)性能，以提高輸出的最終精度。

圖1 PyramidBox的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

滴滴出行科技有限公司（簡(jiǎn)稱滴滴）提出一種基于DFS［2］的口罩佩戴檢測(cè)算法?？谡謾z測(cè)流程見(jiàn)圖2，首先使用DFS算法檢測(cè)人臉，并結(jié)合人臉特征，擴(kuò)展到人臉區(qū)域。之后再使用Attention機(jī)制關(guān)注口罩區(qū)域，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而判斷是否佩戴口罩。

圖2 滴滴口罩檢測(cè)流程

AIZOO［3］提出一種基于SSD［4］的輕量級(jí)口罩佩戴檢測(cè)算法。該算法以SSD目標(biāo)檢測(cè)算法為框架，并對(duì)其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。AIZOO統(tǒng)計(jì)了口罩?jǐn)?shù)據(jù)集的寬高比，根據(jù)數(shù)據(jù)分布，統(tǒng)一設(shè)置5個(gè)定位層的錨點(diǎn)寬高比，提高了口罩檢測(cè)精度。此外，還特意在數(shù)據(jù)集中加入了捂嘴的圖片，降低了誤報(bào)率。AIZOO不僅將口罩檢測(cè)代碼開(kāi)源，而且提供了口罩?jǐn)?shù)據(jù)集，有利于促進(jìn)口罩檢測(cè)算法的開(kāi)發(fā)。

華為提供了一款零門檻的口罩檢測(cè)套件（見(jiàn)圖3）。通過(guò)華為云ModelArts平臺(tái)，可以快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)標(biāo)注、模型訓(xùn)練和部署上線。

圖3 華為ModelArts平臺(tái)口罩檢測(cè)套件示意圖

1.2 乘客口罩佩戴檢測(cè)方案

當(dāng)前，中關(guān)村軌道交通視頻與安全產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟（簡(jiǎn)稱聯(lián)盟）部分成員單位的乘客口罩佩戴檢測(cè)方案如下。

1.2.1 華為

華為乘客口罩佩戴檢測(cè)方案可部署在地鐵站內(nèi)，鐵路進(jìn)出站口，機(jī)場(chǎng)出發(fā)、到達(dá)、候機(jī)大廳，汽車站進(jìn)出站口，售票處以及候車大廳（見(jiàn)圖4）。

圖4 華為口罩檢測(cè)方案

該方案具體功能如下：

（1）人臉抓拍：軟件定義攝像機(jī)（SDC）對(duì)進(jìn)出人員抓拍記錄；

（2）乘客口罩佩戴識(shí)別：SDC對(duì)進(jìn)出人員是否戴口罩進(jìn)行檢測(cè)，包括是否戴口罩、性別、年齡等；

（3）乘客未戴口罩預(yù)警：在系統(tǒng)上顯示未戴口罩人員抓拍圖片和告警，未佩戴口罩自動(dòng)告警識(shí)別準(zhǔn)確率95%；

（4）現(xiàn)場(chǎng)處置：現(xiàn)場(chǎng)客戶端通知預(yù)警對(duì)未戴口罩人員進(jìn)行核查，可提供社區(qū)人員10萬(wàn)自定義名單庫(kù)管控；

（5）人像+測(cè)溫融合：測(cè)溫精度±0.3℃，室內(nèi)室外都可部署。

1.2.2 浙江大華

浙江大華技術(shù)股份有限公司（簡(jiǎn)稱浙江大華）聯(lián)合阿里安全推出“AI防疫師”，具備實(shí)時(shí)精準(zhǔn)測(cè)體溫、是否佩戴口罩識(shí)別、預(yù)警和追蹤高危人群等功能，可在園區(qū)、辦公室、商場(chǎng)、地鐵站、機(jī)場(chǎng)等人群密集的公共場(chǎng)所快速部署，通過(guò)無(wú)接觸方式，隨時(shí)掌控高危人群動(dòng)態(tài)，用科技手段防控疫情（見(jiàn)圖5）。

圖5 浙江大華口罩檢測(cè)方案

方案通過(guò)復(fù)用普通相機(jī)，并增加后端IVSS設(shè)備，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)未佩戴口罩或未識(shí)別的戴口罩人員，并進(jìn)行告警提示。系統(tǒng)可以融合公共場(chǎng)所常用安防子系統(tǒng)，與關(guān)聯(lián)安防系統(tǒng)之間形成聯(lián)動(dòng)管理。

2 基于紅外熱成像的乘客非接觸測(cè)溫方案

當(dāng)前，全國(guó)各行業(yè)紛紛復(fù)工，各地也進(jìn)入了疫情防控攻堅(jiān)期?；疖囌咀鳛橹匾慕煌屑~之一，客流量日漸增加，嚴(yán)格把控進(jìn)出乘客的體溫篩查尤其重要。在乘客較多情況下，人工測(cè)量體溫不僅需要投入大量人力物力，成本高，部署復(fù)雜，同時(shí)也增加了人員接觸帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。采用基于熱成像人體測(cè)溫篩查的解決方案，通過(guò)非接觸式檢測(cè)乘客體溫，可避免一線檢查人員的感染風(fēng)險(xiǎn)，且布控靈活、節(jié)省人員，能夠幫助用戶快速篩查出體溫異常乘客。

2.1 測(cè)溫識(shí)別算法

在自然界中凡是溫度大于絕對(duì)零度（-273℃）的物體都能輻射與自身性質(zhì)、溫度相關(guān)的電磁波能量，這種現(xiàn)象稱為熱輻射現(xiàn)象或紅外線輻射。紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，它是基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會(huì)產(chǎn)生自身分子和原子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，并不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的運(yùn)動(dòng)愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小［5-6］。

熱成像攝像機(jī)包含光學(xué)鏡頭、紅外探測(cè)器、信號(hào)處理系統(tǒng)和防護(hù)罩等（見(jiàn)圖6）。被測(cè)物發(fā)射的紅外線輻射通過(guò)光學(xué)鏡頭收集后被紅外探測(cè)器所獲取，通過(guò)紅外探測(cè)器檢測(cè)被測(cè)物的紅外輻射能量。輻射能量和溫度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)將輻射能量即溫度通過(guò)不同灰度顯示出來(lái)，灰度不同即代表溫度不同。再通過(guò)黑體（用于標(biāo)定紅外系統(tǒng)的基準(zhǔn)源）進(jìn)行測(cè)溫標(biāo)定，建立灰度與溫度的準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)測(cè)溫功能。

圖6 熱成像攝像機(jī)測(cè)溫原理及組成

2.2 乘客非接觸式測(cè)溫方案

當(dāng)前，聯(lián)盟部分成員單位的乘客非接觸式測(cè)溫方案介紹如下。

2.2.1 和普威視

北京和普威視科技股份有限公司（簡(jiǎn)稱和普威視）多年致力于開(kāi)發(fā)熱成像測(cè)溫報(bào)警產(chǎn)品，測(cè)溫設(shè)備可直接應(yīng)用于人體體溫快速檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)測(cè)溫顯示、數(shù)據(jù)處理和報(bào)警管理［7］。

公共場(chǎng)所人員密集，測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)置在通道、卡口處，需要對(duì)快速通過(guò)的人群進(jìn)行精確測(cè)溫，一旦檢測(cè)速度跟不上，就會(huì)滯壓大量人群，從而嚴(yán)重影響正常的公共流動(dòng)秩序。和普威視推出的實(shí)時(shí)測(cè)溫方案通過(guò)選用高性能FPGA處理芯片、內(nèi)嵌高效測(cè)溫算法、優(yōu)化信號(hào)處理和控制流程，提升紅外機(jī)芯的快速溫度檢測(cè)功能，配合后端測(cè)溫軟件的異常溫度篩選功能、報(bào)警功能，可有效滿足快速、實(shí)時(shí)測(cè)溫篩查的需求（見(jiàn)圖7）。

2.2.2 海康威視

相較傳統(tǒng)測(cè)溫手段，?？低暉岢上衤?lián)網(wǎng)非接觸式無(wú)感測(cè)溫系統(tǒng)主要由雙光譜紅外熱成像攝像機(jī)和黑體組成，可在復(fù)雜環(huán)境下、密集人流中遠(yuǎn)距離測(cè)溫，快速定位體溫超高人員，無(wú)需旅客配合，不耽誤安檢時(shí)間，既保障了通行人員的安全，也保障工作人員的安全（見(jiàn)圖8）。紅外熱成像+黑體組合方案將測(cè)溫精度保持在±0.3℃，具有超高體溫預(yù)警聯(lián)動(dòng)功能，精準(zhǔn)到每一個(gè)通行人員，便于工作人員及時(shí)復(fù)核和事后追溯。

圖7 和普威視乘客非接觸式測(cè)溫識(shí)別方案

針對(duì)火車站、地鐵等已建人員通道場(chǎng)景，可采用臨時(shí)布控體溫篩查方案和利舊改造體溫篩查方案。臨時(shí)布控方案由多種設(shè)備單獨(dú)架設(shè)（人體測(cè)溫?zé)嵯駜x/卡片機(jī)/半球/筒機(jī)/手持+三腳架+4200客戶端軟件等）；利舊改造方案則針對(duì)人員通道、安檢門改造智能測(cè)溫組件。

2.2.3 華為

華為非接觸式測(cè)溫場(chǎng)景方案可部署在地鐵進(jìn)出站口、鐵路進(jìn)出站口、機(jī)場(chǎng)出發(fā)與到達(dá)、汽車站進(jìn)出站口、高速出入口、服務(wù)區(qū)測(cè)溫點(diǎn)等（見(jiàn)圖9）。

該方案具體特點(diǎn)如下：

（1）快速部署：1臺(tái)熱成像測(cè)溫?cái)z像機(jī)+1臺(tái)電腦，10 min完成部署；

圖8 海康威視乘客非接觸式測(cè)溫識(shí)別方案

圖9 華為乘客非接觸式測(cè)溫識(shí)別方案

（2）實(shí)時(shí)測(cè)溫：測(cè)溫?cái)z像機(jī)同時(shí)檢測(cè)到目標(biāo)人員的可見(jiàn)光圖像和紅外熱成像，并在電腦管理客戶端上呈現(xiàn)，紅外熱成像上能反饋目標(biāo)的實(shí)時(shí)溫度（測(cè)溫范圍：30～45℃，測(cè)溫精度：±0.3℃）；

（3）異溫報(bào)警：對(duì)溫度異常的人員，電腦客戶端會(huì)發(fā)出報(bào)警提示。

2.2.4 宇視科技

浙江宇視科技有限公司（簡(jiǎn)稱宇視科技）基于熱成像、人工智能等前沿技術(shù)，提供立體式體溫篩查方案，及時(shí)排查發(fā)現(xiàn)體溫超出正常范圍的人員（見(jiàn)圖10）。

該方案具體特點(diǎn)如下：

（1）支持實(shí)名制進(jìn)出及一人一擋設(shè)置，精準(zhǔn)記錄身份和溫度信息的同時(shí)，還可針對(duì)體溫檢測(cè)異常人員的通行權(quán)限進(jìn)行設(shè)置，有效加強(qiáng)防范力度，降低病毒傳播風(fēng)險(xiǎn)；

圖10 宇視科技乘客非接觸式測(cè)溫識(shí)別方案

（2）科學(xué)采用輕量化組網(wǎng)方式，可根據(jù)防控工作需求靈活配置，最快僅需2 h即可部署完畢；

（3）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)算法，測(cè)溫更精準(zhǔn)，漏報(bào)率、誤報(bào)率低，在32～42℃范圍內(nèi)的檢測(cè)精度為±0.5℃。支持自動(dòng)校溫，體表溫度自動(dòng)修正，該方案目前正在進(jìn)一步優(yōu)化，預(yù)期精度可提升到±0.2℃；

（4）結(jié)合視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)，采用智能存儲(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)視頻資料查看及回溯。

3 結(jié)束語(yǔ)

截至目前，中關(guān)村軌道交通視頻與安全產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟各成員單位充分發(fā)揮視頻智能化技術(shù)能力，周密部署、迅速響應(yīng)，在重要交通樞紐、各省醫(yī)院、重點(diǎn)企業(yè)等人員密集公共場(chǎng)所及高危區(qū)域高效快速、科學(xué)精準(zhǔn)地進(jìn)行方案部署，有效解決傳統(tǒng)檢測(cè)方式耗費(fèi)人力多、效率低、預(yù)警慢等弊端，并降低了檢測(cè)人員的感染風(fēng)險(xiǎn)。聯(lián)盟通過(guò)自身能力提供科學(xué)防疫、高效防疫的技術(shù)方案，筑牢疫情防線，鼎力支持相關(guān)領(lǐng)域需求打贏疫情防控阻擊戰(zhàn)。