CN101999888B - 一种对体温异常者进行检测与搜寻的疫情防控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对体温异常者进行检测与搜寻的疫情防控系统，该系统包括有采集信息处理模块、通信处理模块和终端处理模块。采集信息处理模块由红外探测器、摄像头和信息采集处理器构成；红外探测器用于采集人脸的温度信息，摄像头用于采集人脸的视频信息，信息采集处理器用于对所述人脸温度信息和所述人脸视频信息进行运动目标分割及轮廓提取，从而得到体温异常者信息；通信处理模块用于将所述体温异常者信息传输给终端处理模块。终端处理模块对被监测区域内的体温异常者进行实时动态的搜寻，并能够分发调度指令信息进行疫情提示、人员跟踪等操作。本发明的系统能够对被监测区域内的人体体温异常者的监控、识别，从而作出正确的响应，对即将到来的疫情有很好的预警作用，即使疫情爆发，也能够第一时间找到体温异常者，将疫情防疫效率尽可能地做到最好。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于在疫情出现时的防控系统，更特别地说，是指一种在监控区域内通过对人脸温度信息和人脸视频信息进行检测，从而获得体温异常者的疫情防控系统。
背景技术
面对突如其来的疫情，我国采取了积极的措施对疫情进行防控，但是，尽管花费了大量人力物力，效果并不理想，疾病仍然以惊人速度传播。究其原因，一方面是疾病本身的传播性强，另一方面与流感爆发初期的预防监控手段不足有关。
各国航空机场在防控像“SARS”、“甲流感”等高传染性疾病上采取的应急措施主要是对入境旅客进行体温检测。例如：北京首都国际机场对“甲流感”的防治上采取的措施是：增设来自甲型H1N1流感疫病流行国家和地区航班的专用廊桥。在廊桥上设置红外测温设备。如果有人体温度超过37℃，机器会报警并自动保存报警画面。然后人工对报警画面进行分析。如果是旅客温度超过37℃，就送到负压隔离室做流行病排查。从上例看出，目前的防疫检测系统只是在疾病爆发后，设置在机场出入口的简单控制系统，并没有达到防控系统网络化、智能化、信息化。总结目前的防疫检测系统，普通存在以下几个问题：
(1)只能作为疫情爆发后的紧急措施，不能起到有效的预警作用。
(2)智能化程度不高，需要大量人力物力。
(3)采集有效防控疫情相关信息的能力不强。
无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，在疫情防控领域有着广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种对体温异常者进行检测与搜寻的疫情防控系统，该系统通过红外图像信息与视频信息相结合，一方面利用人体形状关系ΔM＝Mh/Md对运动目标信息FMT进行人与非人的区分处理，从而得到人体信息Fman；另一方面通过对高温图像的图像灰度值PT38处理，以红外图像的手段来检测目标，能够智能化、快速地检测出高温人体，且行之有效地采取相应的措施进行处理。
本发明的一种对体温异常者进行检测与搜寻的疫情防控系统，该系统包括有采集信息处理模块(10)、通信处理模块(20)和终端处理模块(30)；
采集信息处理模块(10)由红外探测器(10A)、摄像头(10B)和信息采集处理器(10C)构成；
红外探测器(10A)用于采集进入被监控区域内人群的动态红外特性信息F0；
摄像头(10B)用于采集进入被监控区域内人群的人脸视频信息face；
信息采集处理器(10C)用于对所述动态红外特性信息F0和所述人脸视频信息face进行运动目标分割及轮廓提取，从而得到体温异常者信息Tout；
射频通信处理模块(20)用于将所述体温异常者信息Tout通过有线或无线方式传输给终端处理模块(30)；
终端处理模块(30)对被监测区域内的体温异常者进行实时动态的搜寻，并能够分发调度指令信息进行疫情提示、人员跟踪的操作。
本发明检测与搜寻的疫情防控系统的优点在于：
①实时监控，有效预警。安放在被监控区域内的各个节点的红外热像仪和摄像头，将对整个被监控区域进行网络式的监测，实时注意被监控区域内的潜在或可能发生的疫情。在一定时间内，系统检测到高温人员异常增多时，系统将发出预警有潜在或可能的疫情。
②提供有效的防控信息。疫情爆发后，可调用之前各时段系统记录下的发热人员信息和与其接触人员信息，为控制疫情扩散提供可靠实用的信息数据。
③检测效率高、范围大。系统能实现目标区域下同时刻、多人次的信息检测，并且区域与区域之间形成网络，能够做到大范围的采集数据信息。
④系统组建成本低，时间短。在不破坏现有的监测系统条件下，增加原系统中缺少的设备(信息采集处理器)，完成整个系统的组建，既能节约系统搭建时间，也能节省成本。在原有系统的基础上进行功能的强化与扩展，达到新系统的智能化。
⑤系统可扩展功能强。在现有系统的基础上，可根据相应要求，增加各种功能。例如，组建乘机人员的信息库，当发生疫情时，为发热人员和密切接触人员发出提示，告之及时就医或自行隔离。
附图说明
图1是本发明疫情监测系统的组成示意图。
图2是本发明信息采集处理器对采集到的信息进行处理的结构图。
图2A是本发明目标拾取分割关系示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
在被监测区域内，人群从入口处进入，人群将被设置在入口处的摄像头对其脸部信息face进行采集，该脸部信息face将被传输至信息采集处理器10C中；人群将被设置在入口处的红外探测器采集到人群的动态红外特性信息F0，该动态红外特性信息F0将被传输至信息采集处理器10C中；在信息采集处理器10C中，对所述动态红外特性信息F0和所述人脸视频信息face进行运动目标分割及轮廓提取，从而得到体温异常者信息Tout。
人群从入口处进入后并在监测区域内活动，将由布置在监测区域内的多个红外探测器、多个摄像头和多个信息采集处理器对人群进行实时监测；该实时监测至少能够获知与体温异常者的接触人群信息；
人群从出口处走出，通过本发明的疫情监测系统能够获知体温异常者离开被监测区域内内的停留时间。当出现疫情时可以通过停留时间进行以时间点为搜索要素检索得到体温异常者的视频信息，从而为防控疫情作了准备。
参见图1所示，本发明的一种对体温异常者进行检测与搜寻的疫情防控系统，该系统包括有采集信息处理模块10、通信处理模块20和终端处理模块30。
(一)采集信息处理模块10
采集信息处理模块10由多个红外探测器10A、多个摄像头10B和多个信息采集处理器10C构成，每一个红外探测器10A和每一个摄像头10B通过一个图像采集卡与每一个信息采集处理器10C连接；或者说一个红外探测器10A、一个摄像头10B和一个信息采集处理器10C组成一个采集信息处理单元10。
在被监测区域内，将有多个这样的采集信息处理单元存在；信息采集处理器10C可以为DSP处理芯片，选用DSP芯片是TI公司推出的C64X系列中带有专用视频接口的一款高性能定点TMS320DM642芯片。在本发明中，在信息采集处理器选取的载体(芯片)上运用C语言编程设计进行模式配置得以实现。图像采集卡是北京大恒图像视觉有限公司设计的DH-VRT-CG200型图像采集卡，是基于PCI总线的高速彩色图像采集卡。
参见图2所示，在本发明中，信息采集处理器10C包括有运动目标分割及轮廓提取单元101、人体信息提取单元102、人脸信息提取单元103和体温异常者检测单元104。
在本发明中，信息采集处理器10C对红外图像进行处理的过程为：
在运动目标分割及轮廓提取单元101中，先采用时间差分法对动态红外特性信息F0进行检测，得到运动目标；然后采用特征向量运动目标分割法对运动目标进行处理，得到运动目标信息FMT；
在本发明中，特征向量运动目标分割法是先使用边缘算子检测特征对象的边缘，利用纹理信息去除阴影，再使用形态学算子对边缘提取的结果进行填充，并使用连通算子计算连通区域，消除残余噪声；最后使用snake模型进行目标轮廓的精确提取，从而得到了运动目标信息FMT。
所述时间差分法是指用图像序列中连续两帧或三帧中逐象素的差值提取运动区域中目标的方法。时间差分算法非常适合于背景有动态变化的情况。
参见图2A所示，在人体信息提取单元102中，先将提取出来的运动目标信息FMT与动态红外特性信息F0中的背景信息进行二值化处理，然后采用人体形状关系ΔM＝Mh/Md对运动目标信息FMT进行人与非人的区分处理，从而得到人体信息Fman；在本发明中，人体形状关系ΔM＝Mh/Md是设置在DSP芯片中的相关量，将人体分割为身高信息Mh、第一分割宽度信息Md、第二分割宽度信息Mface和溢出阈值ΔM，其中Mface＝Md/2，ΔM、Mface、Mh和Md的单位为厘米。
在本发明中，考虑到人直立行走张开手臂的情况或者摄像头采集视频信息时某人正处于侧身情况时，故溢出阈值ΔM的取值范围为1.2～7。
在本发明中，当人体处于直立状态时，人体外框呈献出细长矩形的形状。另外，当人体、车辆都与图像平面平行运动时，车辆的刚性运动使每帧中车辆的形状都变化不大，而人体运动的非刚性使人体的形状虽然产生了变化，但高度和宽度的比例仍在一定的阈值之上。所以对于直立人体的检测，选用矩形框是最简单实用的方法。
在人脸信息提取单元103中，首先搜索运动目标信息FMT中所对应的最高像素点坐标A(xA，yA)，以该A(xA，yA)点的横坐标为标准搜索到拥有该横坐标值的最小纵坐标点B(xB，yB)，两纵坐标之间的差值Δy＝yA-yB视为人体高度，即Mh；然后以第二分割宽度信息Mface上部图像作为人脸图像信息Fin，并去除第二分割宽度信息Mface下部的图像信息。在本发明中，以第二分割宽度信息Mface上部的人脸图像信息Fin进行二值化灰度图像处理，处理后得到的人脸-灰度图像PTin将作为与图像灰度阈值PT38进行比较的对象。
在体温异常者检测单元104中，把38℃对应的红外图像灰度值设置为图像灰度阈值PT38；将人脸-灰度图像PTin采取由上到下、从左到右遍历的方式与图像灰度阈值PT38进行图像灰度值比较，若有高于图像灰度阈值PT38的象素出现，则生成体温异常者信息Tout，并将Tout信息传输给终端处理模块30。
在本发明中，高于图像灰度阈值PT38的象素的图像(即人脸-灰度图像PTin)将对应唯一的动态红外特性信息F0，然后通过体温异常者信息Tout将从终端处理模块30中搜索出对应的体温异常者。
(二)通信处理模块20
通信处理模块20包括有无线接收器、无线发射器、有线接收器、有线发射器；无线接收器和有线接收器与终端处理器连接，无线发射器和有线发射器与信息采集处理器连接；无线接收器和无线发射器采用基于IEEE802.15.4标准的ZigBee传感器网络技术，如无线收发芯片CC2420。有线接收器和有线发射器可以选用符合10Base-T、100Base-TX、100Base-FX、IEEE802.3和IEEE802.3u等以太网标准的光纤收发器，利用以太网进行数据传输。
(三)终端处理模块30
终端处理模块30包括有终端处理器、监视器、预警信息发送器和体温异常者信息存储器；终端处理器负责所有信息的处理，包括疫情预警提示、人脸信息的对比、发热人员跟踪等。终端处理模块30中采用的计算机(PC机)是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。最低配置为CPU 2GHz，内存2GB，硬盘180GB；操作系统为windows2000/2003/XP。监视器是人机交互的平台，管理人员可以通过监视器方便快速的查看被监测区域内的状况，在需要加入人为操作时，通过人机交互界面对本发明疫情监测系统进行控制。体温异常者信息存储器把所有搜集和处理得到的信息汇总后，生成完整的信息储存，以供随时查阅和调用。预警信息发送器用于将体温异常者信息存储器中的相关信息采用(GSM、CDMA)手机通信方式广发给体温异常者。
在本发明中，在生成Tout信号的同时触发通过无线发送器将含有体温异常者的红外图像发送到终端处理器进行处理。首先针对该时刻的红外图像计算出体温异常者在图像中的坐标位置区域。假设任一时刻红外探测器和摄像头捕捉到的图像场景一致(如果硬件安装存在偏差角，只需坐标变换就能将红外图像和视频图像的坐标对应起来。)根据该坐标区域确定出视频图像中对应的运动人体信息。再根据运动目标分割及外轮廓精确提取、人体信息提取、人脸信息提取得到体温异常者的人脸图像特征信息。
另一方面，由终端处理器对接收到的信息进行图像增强、归一化处理后存入人脸图像数据库；得到人脸图像数据库后，首先对人脸图像进行Gabor变换，充分提取原始图像的细节特征。然后采用双向二维主分量分析(2D-ZDPCA)进行降维，最后在Gabor特征空间中采用基于核的有监督局部保持投影算法提取人脸非线性局部流形结构特征，同时利用样本类别信息，获取判别意义上的最优人脸特征。将原型集的图像投影到特征子空间，完成特征提取，得到原型集的特征数据库。然后采用优化的K均值聚类算法对原型集的特征数据库中的样本进行K个聚类，生成图像索引。每类的聚类中心即为图像索引。读入体温异常者的人脸图像，首先将其投影到特征子空间上，进行特征提取。然后利用基于最近邻的两层搜索模型首先度量查询待检索图像与聚类后每个聚类中心的相似度，然后计算人脸与前N个相似聚类中的每个样本的相似度给出检索结果。从而实现高温者信息的识别。
在本发明中，信息采集模块包括人脸信息采集、发热人员相关信息采集其中：
(1)人脸信息采集：
人脸信息采集由安装在机场大厅各入口处的高清摄像头完成，它们将对进入机场内的人员进行拍照。在机场入口处摄像头安放位置好，光线充足，可以采集到清晰的图像数据，为人脸数据库的建立提供原始信息。
(2)发热人员相关信息采集：
在机场内部某些节点将安放无线传感器，如机场大厅的墙面、天花板以及地面，他们构成一个大型的网络覆盖整个机场航站楼。传感器节点由红外探测器、摄像头组成。红外探测器接收物体发出的辐射通量，从中找出发热人员。摄像拍摄机场人员的图像，完成发热人员跟踪、寻找密切接触人员、提供图像原始信息等功能。
在本发明中，信息处理模块对摄像头和红外探测器所采集的图像通过有线方式传输至DSP处理器，从而提取出有效的人脸信息、发热人员信息，并通过无线方式将这些信息发送至终端处理器。
在本发明中，终端处理模块由服务器、监视器和信息数据库组成。它负责所有信息的处理，包括疫情预警提示、人脸信息的对比、发热人员跟踪等。它是整个监测系统的核心和大脑。监视器是人机交互的平台，管理人员可以通过监视器方便快速的查看机场目前的状况，在需要加入人为操作时，通过人机交互界面对整个系统进行控制。信息数据库把所有搜集和处理得到的信息汇总后，生成完整的信息储存，以供随时查阅和调用。
实例：由红外探测器输出的红外图像信号，通过高速视频A/D(BT835)将模拟信号转换为数字信号。同时分离出来的同步信号，由FPGA(EP2C20F256)地址发生器产生数字图像的存储地址，这样，在可选择的任意大小的范围内的图像数据依照地址发生器产生的地址依次存入图像存储器(双口RAM)中。数字信号处理器DSP将图像存储器(双口RAM)中的图像以DMA方式存在同步动态存储器SDRAM中。由DSP和SDRAM组成的数字处理单元在对图像数据进行处理：通过基于特征对象的运动目标分割、提取运动目标的边缘图像、计算边缘图像的投影函数和进行区域分割，确定出人脸。由于经过红外探测器照射的视频图像是包含一定灰阶的黑白热图像，热图中每一个点的灰度值与被测物体上该点发出并到达探测器件的辐射能相对应。也就是说可以把人体38摄氏度下热像图显示出的灰度值设置成阈值。如果人脸图像的灰度值高于阈值时，生成一个信号，通过射频通信将此信号传输给住控制台的接收端。同时，生成令一个触发信号触发摄像头拍照并通过射频通信发送给终端处理器的接收端，完成对高温和易感登机乘客的短信通知。
本发明的一种对体温异常者进行检测与搜寻的疫情防控系统，能够对即将到来的疫情有很好的预警作用，即使疫情爆发，能够第一时间找到前几天的高温者，将疫情防疫效率尽可能地做到最好；再者，减少了人力和物力的消耗。系统通过图像采集设备获得被测对象的图像信息，然后对图像信息进行图像化处理获得人脸信息，通过无线传输方式进行信息交互，中心处理器对人脸信息的综合，以及高温人群的分发来实现疫情的监测。
Claims (6)
1.一种对体温异常者进行检测与搜寻的疫情防控系统，其特征在于：该系统包括有采集信息处理模块(10)、通信处理模块(20)和终端处理模块(30)；
采集信息处理模块(10)由红外探测器(10A)、摄像头(10B)和信息采集处理器(10C)构成；
红外探测器(10A)用于采集进入被监测区域内人群的动态红外特性信息F0；
摄像头(10B)用于采集进入被监测区域内人群的人脸视频信息face；
信息采集处理器(10C)用于对所述动态红外特性信息F0和所述人脸视频信息face进行运动目标分割及轮廓提取，从而得到体温异常者信息Tout；
通信处理模块(20)用于将所述体温异常者信息Tout通过有线或无线方式传输给终端处理模块(30)；
终端处理模块(30)对被监测区域内的体温异常者进行实时动态的搜寻，并能够分发调度指令信息进行疫情提示、人员跟踪的操作；
所述的信息采集处理器(10C)包括有运动目标分割及轮廓提取单元(101)、人体信息提取单元(102)、人脸信息提取单元(103)和体温异常者检测单元(104)；
在运动目标分割及轮廓提取单元(101)中，先采用时间差分法对动态红外特性信息F0进行检测，得到运动目标；然后采用特征向量运动目标分割法对运动目标进行处理，得到运动目标信息FMT；
在人体信息提取单元(102)中，先将提取出来的运动目标信息FMT与动态红外特性信息F0中的背景信息进行二值化处理，然后采用人体形状关系ΔM＝Mh/Md对运动目标信息FMT进行人与非人的区分处理，从而得到人体信息Fman；
所述人体形状关系ΔM＝Mh/Md中ΔM的取值为1.2～7；ΔM表示溢出阈值，Mh表示人体高度信息，Md表示第一分割宽度信息；
在人脸信息提取单元(103)中，首先搜索运动人体图像信息所对应最高像素点坐标A(xA，yA)，并以A(xA，yA)点横坐标为标准搜索到拥有该横坐标值的最小纵坐标点B(xB，yB)，两纵坐标之间的差值Δy＝yA-yB，即Mh，视为人体高度；然后以第二分割宽度信息Mface上部图像作为人脸图像信息Fin；以第二分割宽度信息Mface上部的人脸图像信息Fin进行二值化灰度图像处理，处理后得到的人脸-灰度图像PTin将作为与图像灰度阈值PT38进行比较的对象；
在体温异常者检测单元(104)中，把38℃对应的红外图像灰度值设置为图像灰度阈值PT38；将人脸-灰度图像PTin采取由上到下、从左到右遍历的方式与图像灰度阈值PT38进行图像灰度值比较，若有高于图像灰度阈值PT38的象素出现，则生成体温异常者信息Tout，并将Tout信息传输给终端处理模块(30)。
2.根据权利要求1所述的一种对体温异常者进行检测与搜寻的疫情防控系统，其特征在于：采集信息处理模块(10)由多个红外探测器(10A)、多个摄像头(10B)和多个信息采集处理器(10C)构成。
3.根据权利要求1所述的一种对体温异常者进行检测与搜寻的疫情防控系统，其特征在于：信息采集处理器(10C)采用DSP处理器和FPGA处理器构成。
4.根据权利要求1所述的一种对体温异常者进行检测与搜寻的疫情防控系统，其特征在于：通信处理模块(20)由射频通信网络组成，其采用基于IEEE802.15.4标准的ZigBee传感器网络技术。
5.根据权利要求1所述的一种对体温异常者进行检测与搜寻的疫情防控系统，其特征在于：终端处理模块(30)包括有终端处理器、监视器、预警信息发送器和体温异常者信息存储器；终端处理器负责所有信息的处理，包括疫情预警提示、人脸信息的对比、发热人员跟踪。
6.根据权利要求1所述的一种对体温异常者进行检测与搜寻的疫情防控系统，其特征在于：被监测区域是指从入口进入而从出口出形成的一个空间区域。
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