太赫茲/毫米波人體安檢和人臉識別技術深度融合應用研究

鄧維立 劉震 山東省泰安市公安局

引言

長期以來，電磁波人體安檢和人臉識別安防應用在反恐維穩(wěn)、重大安保等公共安全領域分別發(fā)揮著不可替代的作用。隨著人臉識別技術的發(fā)展，智能感知的安防天網(wǎng)不斷完善，但是其防范能力仍然達不到安檢級別，對無法強制安檢的公共區(qū)域的未知風險仍然難以提前預警。如今，隨著新興電磁技術不斷取得突破并應用于人體安檢領域，研發(fā)具備電磁探測功能的“透視天眼”，將安檢系統(tǒng)和人臉識別圖像系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)級融合并開展深度應用，已經(jīng)成為現(xiàn)實。而這種融合對于開放區(qū)域的大范圍安防預警以及非配合條件下的智慧安檢將起到至關重要的作用。

一、需求背景

當前，主流人體安檢手段是在機場等重要場所由手持安檢儀的安檢人員或設置安檢門、安檢通道進行強制檢測，其局限性在于對地點、設備、安檢人員和被檢人配合度高度依賴。比如醫(yī)院、商場等場所，并不適合強制安檢，但是人員密集，一旦發(fā)生暴恐行為后果難以想象。隨著圖像技術的發(fā)展，人臉識別安檢門、安檢人臉識別系統(tǒng)等一體化安檢系統(tǒng)逐漸投入使用，大幅提高了安檢速度和精度，實現(xiàn)了安檢系統(tǒng)的功能升級。然而這種嵌入式的集成實際上仍然是安檢系統(tǒng)和人臉識別系統(tǒng)的硬件組合，并未實現(xiàn)數(shù)據(jù)級的融合應用。不能像安防監(jiān)控系統(tǒng)一樣大范圍開放式部署并實現(xiàn)圖像信息綜合應用。而對于人臉識別、視頻監(jiān)控等安防應用來說，則只能采集視頻圖像，針對城市公共安全防范和未知的暴恐行為，如公交車、校園、廣場等區(qū)域范圍廣、人流大，仍然存在安檢手段難以提前介入、對身上有危險物品的人員無法提前預知預警、開放區(qū)域人流太快來不及布控抓捕等問題。如何讓危險人員“不知不覺過安檢”一直沒有實現(xiàn)。當前發(fā)達的安防物聯(lián)網(wǎng)技術和圖像大數(shù)據(jù)應用已經(jīng)實現(xiàn)了人臉識別，并可以大范圍跨區(qū)域感知預警、實時布控、刻畫人員軌跡，但并不能實現(xiàn)安檢級別的危險物品檢測發(fā)現(xiàn)。如何融合打通安防和安檢兩個層面，進行深度融合運用，實現(xiàn)在開放區(qū)域對流動人員安檢并實時預警，結合人像比對進行身份識別、軌跡刻畫和區(qū)域布控，是現(xiàn)實存在的重要需求。

二、關鍵技術及研究現(xiàn)狀

要實現(xiàn)非可見光人體安檢和人像識別的數(shù)據(jù)級融合并開展深度應用，涉及電磁波和圖像處理兩大領域，以及電子通信和大數(shù)據(jù)等相關技術。其中人像識別技術早已成熟并在全國安防行業(yè)實現(xiàn)大規(guī)模應用，數(shù)據(jù)通信和大數(shù)據(jù)作為基礎技術對該項目來說完全能夠滿足，并非本文重點，不再贅述。本文僅就研發(fā)“能安檢的人像識別監(jiān)控”方向，探討所需技術以及實現(xiàn)模式。

（一）毫米波和太赫茲

傳統(tǒng)的手持安檢儀、安檢門等采用的電磁場、X射線和X射線背散射等技術，因其工作原理必須依賴有人值守式的強制安檢，遠遠無法滿足上述需求。而要實現(xiàn)人體安檢設備的非接觸式乃至隱蔽應用，對安檢設備而言首先要解決的問題是設備的被動式、非接觸式和快速成像。因此在電磁波家族眾多成員里，能夠被動式探測人體危險物品并成像的只有兩個頻段：太赫茲和毫米波。毫米波，是指頻率在30GHz～300GHz之間的電磁波。太赫茲波，是指頻率在100GHz～10THz之間的電磁波。這兩段電磁頻譜處于傳統(tǒng)電子學和光子學研究頻段之間的特殊位置，二者存在部分頻段重疊，過去對其研究以及開發(fā)利用都相對較少。近年來其特性越來越多的被應用于安檢領域，比如毫米波較短的波長可以有效減少器件尺寸，更在成像方面可以有更高的分辨率。而太赫茲的高分辨力、透視性、安全性和瞬態(tài)性，結合被動成像技術可以實現(xiàn)更好的探測效果。而且這兩個頻段都可以實現(xiàn)被動檢測，接收人體對外輻射，對人體安全無害。2018年，民航局頒布了《民用航空毫米波人體成像安全檢查設備鑒定內(nèi)控標準》及《民用航空毫米波人體成像安全檢查設備違禁物品探測能力測試程序》，正式將毫米波人體成像設備納入中國民航安檢設備清單，中國由此成為全球第三個、亞洲第一個獨立頒布毫米波人體成像技術標準的國家實體。同年，國內(nèi)多家廠商和科研機構推出了應用級的太赫茲安檢儀，“無輻射、無感知、無觸摸、無停留”的人體安檢新概念正式登場，標志著毫米波和太赫茲這兩大電磁領域最前沿的新興技術已經(jīng)進入安檢應用階段?？梢钥隙ǖ氖?，在當前技術條件下，毫米波和太赫茲是打通電磁人體安檢和人像識別安防兩大領域，實現(xiàn)數(shù)據(jù)級融合應用的最佳選擇。

（二）多模圖像融合與結構化

傳統(tǒng)的有人值守式安檢通過終端直接查看非可見光成像，對于非可見光成像和可見光成像進行多模圖像融合并非必要需求。視頻大數(shù)據(jù)和人臉識別盡管已經(jīng)技術成熟并實現(xiàn)普及應用，但是只針對可見光攝像頭的成像處理。目前非可見光攝像頭成像技術已經(jīng)成熟，可以通過安檢設備接收人體自然輻射的太赫茲/毫米波信號，采用合成孔徑實時成像技術，實現(xiàn)對人體及攜帶物品高分辨率實時成像。而要實現(xiàn)數(shù)據(jù)級融合和大數(shù)據(jù)應用，還需要對可見光成像和非可見光成像進行多模圖像融合，將非結構化的非可見光成像轉換為結構化數(shù)據(jù)。多模圖像的直接融合較為困難，結合當前技術條件，筆者設計了一種轉換方法：先將非可見光攝像頭成像轉換為可以由計算機視覺辨認的普通圖像，再運用現(xiàn)階段已經(jīng)成熟的視頻結構化算法，將其圖像結構化分析，識別出可疑圖像，通過通信模塊將報警信息傳送給人臉識別單元，再由人臉識別單元立即鎖定人臉，進行人臉識別和圖像大數(shù)據(jù)應用。

（三）目前國內(nèi)研發(fā)現(xiàn)狀和存在問題

根據(jù)公開資料，近年來國內(nèi)先后發(fā)布了多種被動式太赫茲/毫米波人體安檢設備，在外形和技術指標上已經(jīng)不斷完善。北京航空航天大學研制的攝像式毫米波人體安檢儀，可在人流密集的環(huán)境下進行隱蔽監(jiān)視，最遠檢測距離可達5米。中電科五十所正在開發(fā)的太赫茲多頻-多模成像安檢設備，采用主、被動融合的多頻段太赫茲成像探測技術，可進行大范圍掃描成像，實現(xiàn)在人流量大的場所對危險品進行快速檢測、識別與定位。公安部一所推出的Fiscan-Safesearch設備體積小巧，可懸掛于墻壁、天花板處進行隱藏式檢查；重量輕，功耗低；可用于較大人流量處，于不同距離進行連續(xù)性篩查；其智能被動式探測無需主動配合，自行完成過往人群的探測，全程無需工作人員。此外，上海理工大學現(xiàn)代光學系統(tǒng)重點實驗室課題組研發(fā)的安檢儀可探測15米大范圍內(nèi)人群。中國航天十一所、二十五所、二〇三所等也紛紛立項推出并和國外頂尖機構聯(lián)合研發(fā)了毫米波和太赫茲安檢儀。以上這些產(chǎn)品的出現(xiàn)為實現(xiàn)“安檢+人臉”應用打通了過去難以逾越的技術壁壘，加上不斷完善的人臉識別算法和視頻結構化技術，數(shù)據(jù)級融合已經(jīng)成為現(xiàn)實。

圖3所示的是某城市地鐵測試的一種太赫茲人體安檢設備，可以對3m～15m、120°角度范圍內(nèi)遠距離成像。

可以看到該設備大小已經(jīng)十分接近攝像機，而且已經(jīng)實現(xiàn)了圖像對齊和圖像融合。

綜上，可以看出被動式太赫茲/毫米波人體安檢儀產(chǎn)品已經(jīng)逐漸研發(fā)完成并向應用邁進，要實現(xiàn)人體安檢和人臉識別的軟硬件集成和數(shù)據(jù)融合，其體積、成像、探測距離等核心技術已經(jīng)實現(xiàn)，目前存在的問題主要是國內(nèi)被動式太赫茲/毫米波安檢儀普遍處于樣機測試和立項階段，尤其是對于“天網(wǎng)”監(jiān)控攝像機式的掛桿應用來說，還存在成本高、體積體重較大、成像分辨率、報警準確率距離大數(shù)據(jù)應用還需進一步提高等問題。在過渡階段可以通過落地式放置、后臺人員遠程值守等方式來實現(xiàn)綜合應用，從長遠來看，仍然需要不斷攻克技術難關，早日實現(xiàn)“天網(wǎng)”圖像式的成熟規(guī)模應用。

三、系統(tǒng)架構與流程

（一）系統(tǒng)架構

系統(tǒng)架構拓撲圖如圖5所示。

1. 非可見光探測模塊

即安檢探測模塊，使用太赫茲或毫米波安檢技術的危險物品探測模塊。通過非可見光攝像頭成像，發(fā)送至模塊2。

2. 光學圖像轉換模塊

將模塊1的非可見光攝像頭成像傳給該模塊，轉換為可以進行計算機視覺識別的一幀一幀的安檢探測視頻圖像，發(fā)送至模塊4。

3. 可見光成像模塊

通過人臉識別攝像模塊采集可見光成像的視頻圖像信息，發(fā)送至模塊4。

4. 視頻結構化分析模塊

該模塊作用有三：（1）接收模塊2發(fā)送的轉換后的安檢探測視頻圖像，轉化為結構化數(shù)據(jù)A。并對該數(shù)據(jù)進行分析，是否攜帶危險物品及危險物品內(nèi)容。并生成報警數(shù)據(jù)。（2）接收模塊3發(fā)送的人臉視頻攝像模塊的視頻圖像，轉化為結構化數(shù)據(jù)B。（3）根據(jù)結構化數(shù)據(jù)A的分析結果，將報警數(shù)據(jù)和結構化數(shù)據(jù)B進行數(shù)據(jù)融合，生成含有人臉識別信息的報警數(shù)據(jù)C，并將數(shù)據(jù)C發(fā)送給模塊5。

5. 后臺模塊

該后臺模塊是指包含人員數(shù)據(jù)庫，有人像識別和軌跡分析、人臉布控等功能的圖像信息綜合應用系統(tǒng)。該模塊接收模塊4推送的數(shù)據(jù)C，通過系統(tǒng)和后臺數(shù)據(jù)庫進行比對，識別人員身份，并在系統(tǒng)進行人臉布控和軌跡分析。

（二）實現(xiàn)模式

根據(jù)上述架構，系統(tǒng)功能實現(xiàn)流程可以為雙向報警推送：（1）由安檢模塊掃描進行安檢，一旦發(fā)現(xiàn)可疑物品報警立即對人像數(shù)據(jù)進行標注，經(jīng)視頻結構化后推送系統(tǒng)進行身份識別，隨即啟動對人員進行軌跡分析和布控。這種方式對系統(tǒng)性能、數(shù)據(jù)容量、安檢準確度要求較高。（2）反向報警推送。針對某些場景下只需要對數(shù)據(jù)庫關注人員進行重點檢測，不需要進行“逢人必檢、全部采集”的情況下，也可以先在后臺建立重點關注人員庫，由人臉識別模塊發(fā)現(xiàn)關注人員后，先進行人員報警，自動啟動檢測，根據(jù)檢測結果決定是否進入后續(xù)流程。比如有的重點場所人臉識別系統(tǒng)建設了可疑人員模型（陌生人、無故逗留、反復出現(xiàn)等），可以在模型比對認定為可疑人員后啟動安檢。一定程度上可以減少誤報、減輕安檢工作量和系統(tǒng)負荷。上述兩種流程可以單獨，也可以結合運用，隨著大數(shù)據(jù)建模的普及和算法的成熟，實際實施可以結合實際搭建不同模型，比如對檢測出的可疑人員只在出現(xiàn)在重點部位時報警，根據(jù)防護目標的不同設置不同的危險物品庫、劃分危險等級等。

（三）應用場景及成效

“監(jiān)控+安檢”深度融合的新安防模式將主要用于開放式區(qū)域，實現(xiàn)對攜帶危險和可疑物品人員的預警防控。從反恐維穩(wěn)到區(qū)域安保，其突破性的應用成效和廣闊應用前景可期。筆者在應用研究中選取了很多場景進行分析，其中之一就是社會高度關注的暴力傷醫(yī)事件。以醫(yī)院場景為例，其特性決定了很難采取傳統(tǒng)安檢，院內(nèi)遍布的監(jiān)控也只能起到事后追查作用。而滿足非接觸式、無人值守和大數(shù)據(jù)預警研判的新安防體系一旦落地應用，對于防控此類風險，減少犯罪和悲劇的發(fā)生必將起到重要作用。

四、結語

隨著太赫茲、毫米波安檢技術的不斷發(fā)展，今后安檢設備的小型化、無感化和高分別率、高靈敏度技術將不斷提升，與人臉識別等視頻圖像大數(shù)據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合后的跨維智能化應用已經(jīng)成為現(xiàn)實。積極探索開展電磁技術在公安工作中的深化應用研究，開始公共安全“大電磁”新格局的建設實踐將成為必然趨勢。當前，在深度融合“電磁探測+人臉識別”，打造安檢級視頻安防應用方面的技術難關已經(jīng)被攻克，相信隨著新的融合需求的發(fā)現(xiàn)和提出，必將加快應用級產(chǎn)品的研發(fā)落地和規(guī)模應用。實戰(zhàn)引領必將帶來行業(yè)變革，未來，筆者將繼續(xù)以公安實戰(zhàn)為抓手，與學術界、產(chǎn)業(yè)攜手并進，推動建立“電磁+大數(shù)據(jù)”多維融合新生態(tài)。