非接觸式智能測溫研究

韓昌林　郭金朋　陸洲

摘要：文章總結(jié)了當(dāng)前常用的測溫方法和工具，并對主流廠商的測溫產(chǎn)品進(jìn)行了歸納。隨后設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了基于紅外熱成像的非接觸式測溫系統(tǒng)。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具備較好的應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：測溫；非接觸式；紅外熱成像

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）13-0124-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID） ：

0 引言

當(dāng)前，人體智能測溫具備非接觸式、快速檢測、易于操作和管理等特點(diǎn)，在公共安全防范過程中起到重要作用，從而被廣泛地部署在機(jī)場、地鐵站、大型綜合商場、工業(yè)園區(qū)等場景的出入口，更加實(shí)時、準(zhǔn)確、全面地為安全防控提供強(qiáng)有力的支撐[1]。

1868年，Wunderlich[2-3]研究了發(fā)燒患者的體溫，確定了體溫作為臨床診斷的指標(biāo)，開啟了精密儀器協(xié)助醫(yī)學(xué)診斷。在新冠疫情期間，醫(yī)療界在開展預(yù)防救治工作的同時，及時總結(jié)COVID-19的臨床特點(diǎn)，為COVID-19的救治工作提供指導(dǎo)。朱愿超等[4-5]在歸納COVID-19的臨床特點(diǎn)時指出，發(fā)熱為關(guān)鍵癥狀，發(fā)病患者體溫通常大于38℃。在參與研究的患者中，發(fā)熱患者占比83%。在對武漢地區(qū)住院患者的研究中發(fā)現(xiàn)，98.6%[6-7] 都有發(fā)熱癥狀。Melanie 等[8] 對歐洲COVID-19進(jìn)行研究，也發(fā)現(xiàn)發(fā)熱與新冠感染強(qiáng)相關(guān)。發(fā)熱是新冠肺炎主要癥狀之一，在疫情防控中可作為初篩指標(biāo)。體溫作為重要的參數(shù)隨機(jī)被確認(rèn)下來，其測量顯得尤為重要。

1 常見的測溫方法

根據(jù)溫度的測量方式和傳感器的使用方式的不同，可以分為兩種，即接觸式和非接觸式[9]。在接觸法測溫中，常見的方法是熱電偶法和等離子體法。這類測試方法操作難度低、設(shè)備簡單，檢測到的溫度是檢測對象的真實(shí)溫度。例如水銀溫度計、額溫槍等。缺點(diǎn)是操作人員需與被測對象近距離接觸，同時低檢測效率可能導(dǎo)致聚集擁堵，在實(shí)際應(yīng)用中存在交叉感染的風(fēng)險。

接觸式測溫工具如表1所示。

非接觸式測溫方法主要有紅外熱成像法[10-11]、發(fā)射吸收光譜法和光纖測溫法等[12]。常見的應(yīng)用包括紅外熱成像測溫儀等。非接觸法具有測溫速度快（可在2～3 s響應(yīng)）、遠(yuǎn)距離測溫（3～10 m） 和檢測準(zhǔn)確度高（0.1℃） 等優(yōu)勢。從產(chǎn)品形態(tài)上看，常見的非接觸測溫產(chǎn)品有紅外熱成像測溫系統(tǒng)、測溫門和測溫人臉識別設(shè)備，如表2所示。

當(dāng)前，非接觸式紅外人體測溫儀在技術(shù)上得到了迅速發(fā)展。?？低?、大華、曠視、中電科11所、百度、格靈深瞳、宇視科技、同方威視等企業(yè)積極推出了多款智能測溫產(chǎn)品。大華、格靈深瞳和高德主要關(guān)注于提供測溫設(shè)備，以熱成像測溫儀為主，測溫精度為±0.3℃，速度在15人/秒；阿里、曠視科技、商湯科技和百度則利用自己強(qiáng)大的技術(shù)背景，引進(jìn)AI算法。這四家的主要貢獻(xiàn)是結(jié)合自身算法研究的優(yōu)勢，開發(fā)出智能管理平臺。

2 紅外熱成像測溫系統(tǒng)設(shè)計

紅外熱成像測溫系統(tǒng)設(shè)計始于1934 年，Hardy 等[13]闡述了人體紅外輻射的生理作用，并提出將人體皮膚視為黑體輻射器的概念。他確立了紅外技術(shù)對溫度測量的診斷意義。在疫情防控中，紅外熱成像測溫方法的優(yōu)點(diǎn)包括非接觸、探測距離遠(yuǎn)、精度高和響應(yīng)速度快。基于紅外熱成像測溫方法的測溫系統(tǒng)在軟件功能上較為豐富，可結(jié)合圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對測試目標(biāo)進(jìn)行人體檢測、人臉抓拍識別、口罩識別、溫度異常告警等功能，得到了廣泛的應(yīng)用。

2.1 紅外測溫的基本原理

自然界的物體是由分子和原子構(gòu)成的，分子和原子每時每刻都在不斷地運(yùn)動，這一運(yùn)動的宏觀表現(xiàn)就是熱。一般我們使用“溫度”來度量熱運(yùn)動。凡是具有溫度屬性的物體，都會向外發(fā)射電磁波。根據(jù)波長對電磁波進(jìn)行區(qū)分，定義波長在0.001～1 mm的為紅外線。凡是絕對溫度大于零度（-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，電磁波能量的交換方式通常以紅外輻射的方式進(jìn)行。分子、原子進(jìn)行熱運(yùn)動形成紅外線，因此稱之為熱輻射。分子和原子的運(yùn)動愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。其輻射強(qiáng)度則與物體的溫度相關(guān)。

在實(shí)際應(yīng)用中，物體熱輻射的紅外線首先穿過光學(xué)鏡頭，而后由紅外探測器接收。紅外探測器探測出被測物體的紅外輻射的強(qiáng)弱，并將探測結(jié)果傳輸給信號系統(tǒng)。信號系統(tǒng)根據(jù)紅外熱輻射的強(qiáng)弱與溫度、圖像值的對應(yīng)關(guān)系，輸出符合物體表面溫度特征的灰度圖像并顯示出來，灰度的不同代表溫度不同，如圖1所示。

2.2 紅外熱成像測溫系統(tǒng)基本組成

根據(jù)紅外測溫的基本原理，工業(yè)界設(shè)計出了紅外熱成像攝像機(jī)，其組成一般包括光學(xué)鏡頭、紅外探測器、信號轉(zhuǎn)換模塊和圖像處理模塊等，如圖2所示。

使用紅外熱成像攝像機(jī)測量被測物體表面的溫度，其主要優(yōu)勢有：

1） 對大面積且溫度分布不均勻的物體的測量；2） 對限定區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)的過熱溫度（區(qū)域）進(jìn)行快速標(biāo)定。

根據(jù)紅外測溫的基本原理，熱成像過程要經(jīng)過大氣、光學(xué)鏡頭、信號、圖像等環(huán)節(jié)，最終熱輻射被轉(zhuǎn)換為熱成像圖像。由于環(huán)境因素和紅外測溫設(shè)備本身的性質(zhì)，在將紅外熱輻射換算為溫度值前，要經(jīng)過一系列的修正，這一修正即校準(zhǔn)[14]。校準(zhǔn)的目的有兩個：1） 對紅外測溫設(shè)備內(nèi)部的熱輻射進(jìn)行補(bǔ)償；2） 將被測物體的熱輻射換算為溫度值。目前，常用的校準(zhǔn)方法是在紅外測溫設(shè)備前（2～3m處）安裝固定的黑體。

普朗克于1900年建立了黑體輻射定律的公式[15]。黑體發(fā)射的輻射能量與溫度之間的關(guān)系是非線性的，通過普朗克輻射定律和熱像儀光譜響應(yīng)對二者之間的關(guān)系進(jìn)行計算。紅外測溫的關(guān)鍵是通過黑體建立紅外熱輻射和溫度的關(guān)系，對不同溫度值的黑體，將黑體精確溫度值與測量值進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合，獲取到校準(zhǔn)曲線。在不同的參數(shù)（參數(shù)指環(huán)境因素、溫度值等）條件下得到校準(zhǔn)曲線，在測量被測物體進(jìn)行溫度時，找出對應(yīng)的校準(zhǔn)曲線表，得出被測物體的溫度值。黑體對紅外測溫設(shè)備進(jìn)行熱源標(biāo)定，降低成像過程中圖像灰度值同被測物體溫度之間的誤差，幫助紅外測溫系統(tǒng)精確的測溫曲線，實(shí)現(xiàn)實(shí)時的、準(zhǔn)確的測溫功能。

將黑體看作一個恒溫目標(biāo)，作為基準(zhǔn)。在實(shí)際部署中，黑體安裝在攝像機(jī)的視野里，紅外熱成像攝像機(jī)對黑體進(jìn)行持續(xù)的溫度測量，以此實(shí)時進(jìn)行測溫校準(zhǔn)，以保證人體測溫精度在±0.3℃的要求。獨(dú)立使用熱成像攝像機(jī)進(jìn)行人體測溫，其誤差為±1℃，因此，沒有黑體的熱成像測溫系統(tǒng)是沒有實(shí)際意義的。

3 紅外熱成像測溫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

紅外熱成像測溫系統(tǒng)在部署時，應(yīng)盡量避免暴露在室外，以減小環(huán)境因素對測量結(jié)果的影響。在本文設(shè)計的紅外熱成像測溫系統(tǒng)中，圖像采集設(shè)備包括可見光攝像機(jī)和熱成像相機(jī)模塊。首先，在可見光場景下，通過人臉檢測算法標(biāo)定人臉的位置，然后將位置參數(shù)傳遞給熱成像相機(jī)，在熱成像圖像中相應(yīng)的位置標(biāo)定出人臉。獲取到溫度參數(shù)后，將溫度與設(shè)置的閾值對比，一旦超過閾值，則觸發(fā)告警并抓取人臉截圖。本文設(shè)置的閾值是37.3℃。系統(tǒng)流程如圖3所示。

將紅外熱成像測溫系統(tǒng)部署在市內(nèi)空曠區(qū)域，室溫維持在28℃，測試環(huán)境如圖4所示。

測試時，模擬正常體溫人員測試過程和異常體溫人員，體溫異常告警閾值為37.3℃。正常體溫人員測試過程如圖4所示，被測對象進(jìn)入測試區(qū)域，如圖（a） ，圖5（b） 為被測對象對應(yīng)的紅外熱成像圖像，通過5人臉檢測算法，判定被測對象為“人”，即標(biāo)定被測對象人臉。在如圖5（c） 所示，標(biāo)定被測對象人臉并給出被測對象體溫值為36.4°C，未超過告警閾值，圖5（d） 是圖5（c） 對應(yīng)的紅外熱成像圖像。

異常體溫人員模擬測試過程如圖6所示，被測對象進(jìn)入測試區(qū)域前，接受太陽暴曬，提高體表溫度，圖6（a） 中被測對象進(jìn)入測試區(qū)域，圖6（b） 為被測對象實(shí)時的紅外熱成像圖像，如圖6（c） 所示，標(biāo)定被測對象人臉并給出被測對象體溫值為37.3°C，超過體溫異常告警閾值，語音提示現(xiàn)場管理人員手動二次篩查，并截取體溫異常人員人臉圖片如圖（7） 所示。圖6（d） 是圖6（c） 對應(yīng)的紅外熱成像圖像。

本文對系統(tǒng)進(jìn)行了多目標(biāo)測試，如圖8所示，測得并行人數(shù)為10～15人。紅外熱成像測溫系統(tǒng)測試取得參數(shù)如表3所示。

4 結(jié)束語

本文提出了紅外熱成像測溫系統(tǒng)的設(shè)計思路，并對設(shè)計的紅外熱成像測溫系統(tǒng)進(jìn)行了驗證。實(shí)驗表明，該系統(tǒng)具有較好的測試效果。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，紅外熱成像測溫系統(tǒng)仍然存在一些亟待解決的問題：1） 受環(huán)境因素影響較大，容易產(chǎn)生溫度漂移；2） 系統(tǒng)部署需要嚴(yán)格的工程勘察；3） 智能化分析有待加強(qiáng)。因此，在今后的工作中，可以針對上述三點(diǎn)繼續(xù)開展研究。

【通聯(lián)編輯：唐一東】