“秒过”,安检仪成像技术领跑者

业界 | 2021-09-23 07:31:46
时间:2021-09-23 07:31:46   /   来源: 北京日报      /   点击数:()

项目首席设计师胡麟(左)和工程师交流产品细节。

在人工智能的加持下,中国航天科工集团三院35所毫米波安检仪的典型危险品自动识别率已提高至95%,达到国际最先进水平。 本版图片均为本报记者武亦彬摄

首都国际机场T2航站楼里,一名入境乘客将行李放上安检设备传送带,自己走入一个形似“时空穿梭机”的安检仪。站好、抬起双手,2秒后,他走出安检仪,取上行李顺利前往等候区。

这是在我国最新应用并已达到国际最先进水平的毫米波安检仪,区别于传统的通过金属探测门或手持式金属探测器进行安检,受检者只需站定于安检仪内,举手投足间,一幅360°、成像分辨率达毫米量级的检测图便已生成,各种违禁品、走私品一览无余。

西起云南畹町口岸,东至黑龙江绥芬河口岸,南起广东珠海口岸,北到哈尔滨机场,如今,这种毫米波安检仪已在国内23个海关口岸、8个机场安装使用,守护着国门安全。

而在这背后,是中国航天科工集团三院35所毫米波安检仪项目团队10年攻坚。

研发中国人自己的智能安检仪

十年前,中国航天科工集团三院35所决定发力拓展民用市场领域,研发一款革命性的智能安检仪,被摆在了靠前的位置。

一直以来,金属探测器都是安检的主流设备,其工作原理,是利用磁场来捕捉人体身上携带的金属物品。不过,在实际安检过程中,这种设备的弊端也显而易见——如果受检者穿戴了含有金属材质的衣物,比如皮带、牛仔服、首饰等,安检设备一样会嘀嘀作响;而对于非金属的技术材料,比如陶瓷刀具、打火机、玻璃、塑料、粉末等,这种探测设备又完全不能检出。

唯一的补救方法,就是“手检”。在机场等重点安检场所,手检的熟练程度是衡量一名安检员技术水平高低的金标准。依靠手部丰富的神经末梢,安检员需要在90秒内完成一次对受试者的全身检查。不断重复的机械式动作,使机场安检员工作繁重,也可能给乘客留下尴尬的安检体验。

一个偶然的机会,一位客户把毫米波人体安检设备项目推荐给了时任35所产业部主任陈铭,让他有了“如获至宝”的感觉。

毫米波,简单地说,是指波长为1毫米至10毫米的电磁波,它可以轻易穿透衣物的遮挡,但又不存在电离辐射风险。作为国内雷达技术的骨干研发机构,35所在毫米波相关技术上有着得天独厚的优势。“本质上说,毫米波安检就是一种雷达成像技术,以前我们的研究方向是发现目标舰船、坦克,现在,目标换成了违禁品、走私品,原理几乎一样!”回忆起当时的场景,陈铭仍难掩兴奋之情。

中国人一定要用上自己的毫米波安检设备!35所立刻召开会议研究讨论,大家都摩拳擦掌。很快,“毫米波安检仪”顺利立项,成为35所拓展民用市场的先发产品之一。这个重担,落到了时任技术发展室主任陈晔的肩上。

不过,作为国内第一个“吃螃蟹”的,项目组很快尝到了失败的滋味。“毫米波安检仪主要由两部分功能组成:一是成像,二是检测。雷达技术可以很顺利地检测到物体,但如何将探测到的内容呈现在屏幕上,这是一个问题。”陈晔有些担心。当时,毫米波安检技术完全被国外垄断,他能找到的只有文献中提及的产品模型以及项目组推演出来的产品技术图。

经过持续不断地技术攻关,2011年底,项目组拿出了毫米波安检仪的核心技术方案,第一台原理样机成功摆放在陈晔的面前。不过,当显示屏亮起的那一刻,陈晔担心的问题出现了:屏幕上出现了“雪花”状的噪点影像,而这意味着,大部分工作都要推倒重来。

庞大的安检仪又被拆解成一个个小部件,陈晔把筛查焦点放在了安检仪的扫描阵列上。“简单来说,毫米波安检仪相当于一个环形扫描的雷达系统,各个点位发出毫米电磁波,电磁波抵达人体皮肤后成功反射,阵列天线会捕获反射回来的毫米波并将其传输至中央控制单元,控制单元再对阵列天线的信息进行分析处理,并将检测结果合成为一张张图像呈现出来。而画面之所以出现噪点,可能是因为其中的两个阵列天线单元离得太近了,信号间出现了干扰。”陈晔冷静分析。

带有噪点的图像严重影响了视觉效果,陈晔深知,如果这个问题不解决,接下来的很多工作都没办法开展。项目组立刻投入新一轮的技术攻关,经过多次试验和数据分析,工程师们找到了“问题天线”,在实验室环境下,将两个天线之间的距离稍稍拉开了一点,屏幕上的图像一下子清晰起来。

研发人员还不放心,继续对安检仪进行多次试验,在反复确认图像噪点问题已经完全排除后,大家终于松了一口气。“那阵子,都快长在实验室里了。”当时刚加入安检仪项目组的35所骨干技师胡麟回忆道。

功夫不负有心人。2012年,项目组带着新研发的毫米波安检仪登上北京警用装备展,国内首个旋转式扫描毫米波人体安检设备正式亮相。

40余项专利记录迭代优化之路

研发出国内首台具有自主知识产权的毫米波安检仪,2秒即可完成全身扫描并对随身物品进行精准定位,项目组沉浸在巨大的喜悦中。大家辗转于国内各个警用装备展和安防设备展,收获了同行如潮般的赞誉。

不过,“赚吆喝”的背后,项目组也面临着一些尴尬——这个载着航天人满满诚意的新产品,却没有收获预期的市场反响。

“大家都知道这是个好产品,但感觉距离自己太远了。”时任35所产业部副主任的王正豪回忆,那个时候,国内几乎没有毫米波安检仪的相关信息,大家对其知之甚少,也不太明确自己的需求。作为35所力推的重点产品,没有销量就意味着失败,项目组成员立刻清醒起来。面对一个个客户,王正豪开始当起毫米波安检科普员,不过,“光说还不足以建立信任,我们一定要做出一些改变。”他暗下决心。

首先被拿来“开刀”的,是造型。早期的安检仪看起来就像一间小房子,占地足有四五平方米之多。由于安检仪用料没有考虑到实际需要,看起来非常笨重。“客户经常跟我们开玩笑,说即便地震了,你们这安检仪都不会倒。”胡麟苦笑着说。调侃的背后,说明产品对场地要求太高,实用性不强,安装和维护都非常不便。

“一定要改变以自我为中心的实验室式的设计思路,不能靠想象来做一样东西。要转变思路,真正以市场为导向。”内部会议中,“绷紧市场这根弦”的理念被反复叮嘱。在五六个版本的更新后,毫米波安检仪改变了雷达扫描方式,在提升检测精准度的同时成功瘦身,占地面积更小,安检仪入口更大更敞亮,大大提高了客户的实际体验满意度。

第二个重大升级是成像系统。当时,毫米波安检仪的显像方式还是普通的黑白光片,类似于医院里常见的X光片,看起来有些不太舒适。“这种影像没有很好地照顾到使用者的感受和情绪,也暴露了高矮胖瘦等体型概貌,这些个人信息都是隐私,应该予以保护。”时任技术发展室副主任赵英海突发奇想,能否不再对体型进行精确显示,而是用一个固定的卡通人偶进行替代?危险品信息则在屏幕上用一个突出的红点来标记显示。

创意不错,但实现起来却不容易。“这个变化,相当于从直接拍照过渡到美术创作,还需要将小红点准确附着在人偶形象相应位置上。在检测时间不变的情况下,这需要强大的算力保障,整个软件逻辑也几乎要重写。”赵英海说。

那段时间,软件设计师通宵达旦不断测试,最终完成了“智能隐私保护技术”。这种技术模糊了人体面部、性别器官和高矮胖瘦等敏感信息,在安检判读上采用了人偶映射技术,外侧显示屏上显示虚拟人偶,如有携带违禁品,则在人偶相应区域做出标识,最大程度缓解了公众对公共安检的尴尬情绪。小小的一步,极大地改善了安检员的视觉体验,成为同类产品最大的亮点。

40余项国家发明和使用新型专利,记录着产品的迭代优化之路。在接受市场检验的过程中,产品更加完美,研发人员不懈地努力和积累,也在2015年迎来了第一个回报。

那年,江西某地法院领导在出国考察时偶然体验到了国外已投入使用的毫米波安检仪,对产品的技术特性印象深刻。回到国内,他检索到“35所已成功研制出国内首台毫米波安检仪”的相关信息。循着报道,这家单位找到了王正豪,成为了35所毫米波安检仪的第一位客户。

如同送走出嫁的女儿,王正豪、胡麟带领项目组成员远赴江西,亲手将产品送到目的地。出于对产品的热爱,在法院高高的台阶前,他们借来木挑子,自己动手把总重量达500斤的设备部件一一挑上去。装配完毕,运行一切正常,凭借着一次又一次的改良更新,产品使用体验比国外的还要好!听着客户对产品的赞誉,王正豪和胡麟激动地流下了热泪。航天人的坚持和付出,得到了应有的回报。

毫米波成像有了“中国标准”

口口相传,订单纷至沓来。项目组几乎走遍了中国的每一个机场和口岸,成了机场安检站的常客。

更多的创新也在基层调研中迸发出来。比如,此前安检仪的启动按钮被集成在了仪器内部,安检员需要走到安检仪前启动,再走向另一个区域对出现问题的受检者进行复查,来来回回需要走不少冤枉路。每每到现场调研,胡麟都会掏出小本子,将类似的问题一一记录下来。很快,启动扫描按钮被直接设置在了复检区域,问题得到妥善解决。

在和安检人员的交流中,项目组对安检需求有了更深入的了解。“安检人员普遍劳动强度高,精神压力大,图像中简单标记小红点已不能满足需求,实现自动检测是大家共同的诉求。”基于对安检仪算法的深入思考和应用反馈,赵英海有了一个更为大胆的设想——将人工智能技术应用到安检仪,实现危险品自动检测。

“自毫米波安检仪诞生的那一天起,全世界所有研发人员都在围绕两方面开展工作:一是让检测更精准,呈现的图像更清楚;二是摆脱人眼辅助识别,让机器自动检测并给出检测结果。”赵英海对此深有感触。刚刚起步的时候,大家把研究重心放在了如何让机器识别更快,图像呈现更清楚上;但渐渐地大家发现,客户对图像并不关心,他们关心的只是结果。“简单来说,就是这个人带了什么东西,你可不可以直接告诉我。可以说,自动给出检测结果,是全世界毫米波安检仪研究者的共同愿望。”

而实现自动检测,最大的难点在于检测对象的千变万化,因为,危险品的种类实在太多了!赵英海解释,同样是打火机,有塑料的,有金属的;长度有1厘米的,也有5厘米的;形态也是千变万化,即便形态差不多,比如手机,从不同的方位看上去也有很大差别。

要想用好人工智能,基础在于建立庞大的样本库。安检仪项目组立刻进行摸排、归类,最终建成了涵盖上百个类别、近千万样本的危险品数据库。再通过人工智能的迭代学习,让样本库不断接近完美。

数据库建好了,人工智能技术团队上马。35所在人工智能方面早已具备“场景-数据-模型-应用”的全栈技术链储备,在航天领域第一个成立了人工智能专职研究室与专业队伍,而将人工智能深度学习技术应用到安检仪上,赵英海带领团队仅用了不到两个月的时间。

“我们真的赶上了一个好时代!”对此,胡麟有着切身的体会。他记得,刚开始启动研发时,用的全是国外的芯片,哪一个出现问题都需要走非常繁琐的售后流程;而随着芯片国产化的加速,现在的国产芯片噪音更小,功耗更低,各种配套服务一应俱全。“从外部材料到各种元器件,再到核心芯片和人工智能技术,中国人实现了全流程全链条的技术掌控。这份成就,一线科研人员的感受最明显也最真切。”胡麟说。

2018年4月25日,35所成功发布了新一代毫米波人体安检仪,有了人工智能技术的加持,新款安检仪的危险品自动识别率提高到了95%,自动识别时间降低到0.7秒。也就是说,1秒内即可识别出89种类型的危险品,并将结果映射至虚拟人偶。这款装配了“最强大脑”的安检仪更具备超强的学习能力,可以对层出不穷的违禁品进行持续学习,通过对软件平台的升级即可满足未来安检需求升级的需要。而升级服务也十分便捷,无须更改硬件,“整个体验就像升级手机应用程序一样简单!”

换装人工智能处理器的安检仪实现了性能飞跃,指标也远超国内同类产品。这一次,35所再次坐稳了毫米波人体安检市场的国内头把交椅。

“经过这么多年的技术更新,各个国家在毫米波安检仪硬件上的差别已经不大,数据库、人工智能识别的准确性以及对用户习惯深度的学习能力,这些‘软实力’才是真正的无价之宝,是‘卡脖子’技术。”胡麟说,这一切,还是要回归市场,在解决客户的实际需要中不断锤炼。

一个好消息是,中国民用航空局已经下发标准,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。未来,毫米波人体成像设备将逐步取代金属探测门,为公众提供更安全、高效的安检服务。

这个标准,不负35所10年奋斗光阴。新的市场大门即将打开,现在已成为项目首席设计师的胡麟深知,只有具备过硬的实力,才能经得住长久的考验。“让客户用上最好的产品,这就是航天人的承诺。”

标签:Lucid

最近更新