长期以来,电磁波人体安检和人脸识别安防应用在反恐维稳、重大安保等公共安全领域分别发挥着不可替代的作用。随着人脸识别技术的发展,智能感知的安防天网不断完善,但是其防范能力仍然达不到安检级别,对无法强制安检的公共区域的未知风险仍然难以提前预警。如今,随着新兴电磁技术不断取得突破并应用于人体安检领域,研发具备电磁探测功能的“透视天眼”,将安检系统和人脸识别图像系统实现数据级融合并开展深度应用,已经成为现实。而这种融合对于开放区域的大范围安防预警以及非配合条件下的智慧安检将起到至关重要的作用。

一、需求背景

当前,主流人体安检手段是在机场等重要场所由手持安检仪的安检人员或设置安检门、安检通道进行强制检测,其局限性在于对地点、设备、安检人员和被检人配合度高度依赖。比如医院、商场等场所,并不适合强制安检,但是人员密集,一旦发生暴恐行为后果难以想象。随着图像技术的发展,人脸识别安检门、安检人脸识别系统等一体化安检系统逐渐投入使用,大幅提高了安检速度和精度,实现了安检系统的功能升级。然而这种嵌入式的集成实际上仍然是安检系统和人脸识别系统的硬件组合,并未实现数据级的融合应用。不能像安防监控系统一样大范围开放式部署并实现图像信息综合应用。而对于人脸识别、视频监控等安防应用来说,则只能采集视频图像,针对城市公共安全防范和未知的暴恐行为,如公交车、校园、广场等区域范围广、人流大,仍然存在安检手段难以提前介入、对身上有危险物品的人员无法提前预知预警、开放区域人流太快来不及布控抓捕等问题。如何让危险人员“不知不觉过安检”一直没有实现。当前发达的安防物联网技术和图像大数据应用已经实现了人脸识别,并可以大范围跨区域感知预警、实时布控、刻画人员轨迹,但并不能实现安检级别的危险物品检测发现。如何融合打通安防和安检两个层面,进行深度融合运用,实现在开放区域对流动人员安检并实时预警,结合人像比对进行身份识别、轨迹刻画和区域布控,是现实存在的重要需求。

二、关键技术及研究现状

要实现非可见光人体安检和人像识别的数据级融合并开展深度应用,涉及电磁波和图像处理两大领域,以及电子通信和大数据等相关技术。其中人像识别技术早已成熟并在全国安防行业实现大规模应用,数据通信和大数据作为基础技术对该项目来说完全能够满足,并非本文重点,不再赘述。本文仅就研发“能安检的人像识别监控”方向,探讨所需技术以及实现模式。

(一)毫米波和太赫兹

传统的手持安检仪、安检门等采用的电磁场、X射线和X射线背散射等技术,因其工作原理必须依赖有人值守式的强制安检,远远无法满足上述需求。而要实现人体安检设备的非接触式乃至隐蔽应用,对安检设备而言首先要解决的问题是设备的被动式、非接触式和快速成像。因此在电磁波家族众多成员里,能够被动式探测人体危险物品并成像的只有两个频段:太赫兹和毫米波。毫米波,是指频率在30GHz~300GHz之间的电磁波。太赫兹波,是指频率在100GHz~10THz之间的电磁波。这两段电磁频谱处于传统电子学和光子学研究频段之间的特殊位置,二者存在部分频段重叠,过去对其研究以及开发利用都相对较少。近年来其特性越来越多的被应用于安检领域,比如毫米波较短的波长可以有效减少器件尺寸,更在成像方面可以有更高的分辨率。而太赫兹的高分辨力、透视性、安全性和瞬态性,结合被动成像技术可以实现更好的探测效果。而且这两个频段都可以实现被动检测,接收人体对外辐射,对人体安全无害。2018年,民航局颁布了《民用航空毫米波人体成像安全检查设备鉴定内控标准》及《民用航空毫米波人体成像安全检查设备违禁物品探测能力测试程序》,正式将毫米波人体成像设备纳入中国民航安检设备清单,中国由此成为全球第三个、亚洲第一个独立颁布毫米波人体成像技术标准的国家实体。同年,国内多家厂商和科研机构推出了应用级的太赫兹安检仪,“无辐射、无感知、无触摸、无停留”的人体安检新概念正式登场,标志着毫米波和太赫兹这两大电磁领域最前沿的新兴技术已经进入安检应用阶段。可以肯定的是,在当前技术条件下,毫米波和太赫兹是打通电磁人体安检和人像识别安防两大领域,实现数据级融合应用的最佳选择。

(二)多模图像融合与结构化

传统的有人值守式安检通过终端直接查看非可见光成像,对于非可见光成像和可见光成像进行多模图像融合并非必要需求。视频大数据和人脸识别尽管已经技术成熟并实现普及应用,但是只针对可见光摄像头的成像处理。目前非可见光摄像头成像技术已经成熟,可以通过安检设备接收人体自然辐射的太赫兹/毫米波信号,采用合成孔径实时成像技术,实现对人体及携带物品高分辨率实时成像。而要实现数据级融合和大数据应用,还需要对可见光成像和非可见光成像进行多模图像融合,将非结构化的非可见光成像转换为结构化数据。多模图像的直接融合较为困难,结合当前技术条件,笔者设计了一种转换方法:先将非可见光摄像头成像转换为可以由计算机视觉辨认的普通图像,再运用现阶段已经成熟的视频结构化算法,将其图像结构化分析,识别出可疑图像,通过通信模块将报警信息传送给人脸识别单元,再由人脸识别单元立即锁定人脸,进行人脸识别和图像大数据应用。

(三)目前国内研发现状和存在问题

根据公开资料,近年来国内先后发布了多种被动式太赫兹/毫米波人体安检设备,在外形和技术指标上已经不断完善。北京航空航天大学研制的摄像式毫米波人体安检仪,可在人流密集的环境下进行隐蔽监视,最远检测距离可达5米。中电科五十所正在开发的太赫兹多频-多模成像安检设备,采用主、被动融合的多频段太赫兹成像探测技术,可进行大范围扫描成像,实现在人流量大的场所对危险品进行快速检测、识别与定位。公安部一所推出的Fiscan-Safesearch设备体积小巧,可悬挂于墙壁、天花板处进行隐藏式检查;重量轻,功耗低;可用于较大人流量处,于不同距离进行连续性筛查;其智能被动式探测无需主动配合,自行完成过往人群的探测,全程无需工作人员。此外,上海理工大学现代光学系统重点实验室课题组研发的安检仪可探测15米大范围内人群。中国航天十一所、二十五所、二〇三所等也纷纷立项推出并和国外顶尖机构联合研发了毫米波和太赫兹安检仪。以上这些产品的出现为实现“安检+人脸”应用打通了过去难以逾越的技术壁垒,加上不断完善的人脸识别算法和视频结构化技术,数据级融合已经成为现实。


图1 某壁挂式小型太赫兹安检仪

图2 某落地式太赫兹安检仪及其成像

图3所示的是某城市地铁测试的一种太赫兹人体安检设备,可以对3m~15m、120°角度范围内远距离成像。

图3 国内某地铁太赫兹安检仪应用测试


图4 国内某地铁太赫兹安检仪应用测试

可以看到该设备大小已经十分接近摄像机,而且已经实现了图像对齐和图像融合。

综上,可以看出被动式太赫兹/毫米波人体安检仪产品已经逐渐研发完成并向应用迈进,要实现人体安检和人脸识别的软硬件集成和数据融合,其体积、成像、探测距离等核心技术已经实现,目前存在的问题主要是国内被动式太赫兹/毫米波安检仪普遍处于样机测试和立项阶段,尤其是对于“天网”监控摄像机式的挂杆应用来说,还存在成本高、体积体重较大、成像分辨率、报警准确率距离大数据应用还需进一步提高等问题。在过渡阶段可以通过落地式放置、后台人员远程值守等方式来实现综合应用,从长远来看,仍然需要不断攻克技术难关,早日实现“天网”图像式的成熟规模应用。

三、系统架构与流程

(一)系统架构

 

系统架构拓扑图如图5所示。

图5 系统架构拓扑图

1. 非可见光探测模块

即安检探测模块,使用太赫兹或毫米波安检技术的危险物品探测模块。通过非可见光摄像头成像,发送至模块2。

2. 光学图像转换模块

将模块1的非可见光摄像头成像传给该模块,转换为可以进行计算机视觉识别的一帧一帧的安检探测视频图像,发送至模块4。

3. 可见光成像模块

通过人脸识别摄像模块采集可见光成像的视频图像信息,发送至模块4。

4. 视频结构化分析模块

该模块作用有三:(1)接收模块2发送的转换后的安检探测视频图像,转化为结构化数据A。并对该数据进行分析,是否携带危险物品及危险物品内容。并生成报警数据。(2)接收模块3发送的人脸视频摄像模块的视频图像,转化为结构化数据B。(3)根据结构化数据A的分析结果,将报警数据和结构化数据B进行数据融合,生成含有人脸识别信息的报警数据C,并将数据C发送给模块5。

5. 后台模块

该后台模块是指包含人员数据库,有人像识别和轨迹分析、人脸布控等功能的图像信息综合应用系统。该模块接收模块4推送的数据C,通过系统和后台数据库进行比对,识别人员身份,并在系统进行人脸布控和轨迹分析。

(二)实现模式

根据上述架构,系统功能实现流程可以为双向报警推送:(1)由安检模块扫描进行安检,一旦发现可疑物品报警立即对人像数据进行标注,经视频结构化后推送系统进行身份识别,随即启动对人员进行轨迹分析和布控。这种方式对系统性能、数据容量、安检准确度要求较高。(2)反向报警推送。针对某些场景下只需要对数据库关注人员进行重点检测,不需要进行“逢人必检、全部采集”的情况下,也可以先在后台建立重点关注人员库,由人脸识别模块发现关注人员后,先进行人员报警,自动启动检测,根据检测结果决定是否进入后续流程。比如有的重点场所人脸识别系统建设了可疑人员模型(陌生人、无故逗留、反复出现等),可以在模型比对认定为可疑人员后启动安检。一定程度上可以减少误报、减轻安检工作量和系统负荷。上述两种流程可以单独,也可以结合运用,随着大数据建模的普及和算法的成熟,实际实施可以结合实际搭建不同模型,比如对检测出的可疑人员只在出现在重点部位时报警,根据防护目标的不同设置不同的危险物品库、划分危险等级等。

(三)应用场景及成效

“监控+安检”深度融合的新安防模式将主要用于开放式区域,实现对携带危险和可疑物品人员的预警防控。从反恐维稳到区域安保,其突破性的应用成效和广阔应用前景可期。笔者在应用研究中选取了很多场景进行分析,其中之一就是社会高度关注的暴力伤医事件。以医院场景为例,其特性决定了很难采取传统安检,院内遍布的监控也只能起到事后追查作用。而满足非接触式、无人值守和大数据预警研判的新安防体系一旦落地应用,对于防控此类风险,减少犯罪和悲剧的发生必将起到重要作用。

四、结语

随着太赫兹、毫米波安检技术的不断发展,今后安检设备的小型化、无感化和高分别率、高灵敏度技术将不断提升,与人脸识别等视频图像大数据系统实现数据融合后的跨维智能化应用已经成为现实。积极探索开展电磁技术在公安工作中的深化应用研究,开始公共安全“大电磁”新格局的建设实践将成为必然趋势。当前,在深度融合“电磁探测+人脸识别”,打造安检级视频安防应用方面的技术难关已经被攻克,相信随着新的融合需求的发现和提出,必将加快应用级产品的研发落地和规模应用。实战引领必将带来行业变革,未来,笔者将继续以公安实战为抓手,与学术界、产业携手并进,推动建立“电磁+大数据”多维融合新生态。

 



来源:未知

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