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经贸研究
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走出疫境:影像分析机械人

2020年8月31日



新冠肺炎疫情肆虐全球,在疫苗面世和普及之前,世界各地都要面对防控疫情与重启经济的两难局面。疫情严峻,不同企业及机构正致力转变办公及营运模式以减少人群聚集及不必要的人际接触,同时体温检测仪等设备已成为公众地方必备的防疫工具。

视野机械人有限公司(下称「视野机械人」)立足香港科学园,研究并提供以人工智能驱动的高解析度图像分析技术及服务,自成立以来一直以无人机和智能火险监控报警机械人守护香港、中国内地及全球多个地区共300万公顷的树林和土地,免受山火威胁。最近因应疫情发展,视野机械人更以成本价协助香港科学园及红十字会设立人群体温检测系统。

受惠于粤港澳大湾区的电子机械产业优势,以及香港与全球科技供应链的紧密联系,视野机械人提供科技软硬件的一站式服务。随著全球供应链在疫情下重组,该公司也随机应变,探索不同合作模式,专注于人工智能软件技术研发及推广。视野机械人联合创办人及首席科学官岑棓琛最近接受香港贸发局经贸研究专访,分享该公司的图像分析技术在疫情下及疫情后的应用和愿景。

人群体温检测系统

发烧是新冠肺炎的常见症状,因此除了正确佩戴口罩及以酒精搓手液洁净双手外,在公共场所出入口进行体温检测已成常态。可是,在人流高的地方逐一运用体温枪测量体温不仅费时失事,也为相关工作人员带来健康风险。有见及此,部分商厦及人流高的地方已采用大型人群体温检测系统。然而,这些系统大多须由技术人员定期调校和保养,以免被环境因素如室内温度和阳光强弱等影响检测的准确度。

相片: 双温度黑体校准器。

双温度黑体校准器。

为解决有关问题,视野机械人运用自身多年在红外线热成像采集及人工智能分析技术领域的经验,开发出一套适合用于防控疫情的人群体温检测系统。岑棓琛说:「市面上的红外线热成像仪大多数须每日调校一次,以准确找出发烧人士。不同的是,我们的红外线热成像仪加入了双温度黑体作为固定的指标,能够对环境因素自动作出实时调整。

「我们不单能够做到自动调节温度,还可以视乎用家的需要,提供客制化功能。例如,我们可以因应机场和国际专柜品牌客户的保安及保障私隐要求,为检测对象的面容『打格』。机场是国际交流的枢纽,保障旅客行踪免被不法之徒利用尤为关键。另外,对国际专柜品牌来说,保护客户私隐对提升信誉及顾客忠诚度也至关重要。故此,我们的系统会为没有发烧的人士『打格』,而当发烧的人士被发现后,其头像也会随之删除。」

相片: 可见光图像为没有发烧的人士的「打格」功能。

可见光图像为没有发烧的人士的「打格」功能。

目前,视野机械人已为香港科学园和香港红十字会青年及义工事务部几个分区总部安装了人群体温检测系统。岑棓琛称,他们在香港提供的体温侦测服务主要是一项与普罗大众共渡时艰的公益活动。为此,他们特别订制一款性能最简单的体温检测系统,其售价为每台20,000至30,000港元,远低于市面上配备黑体而没有人工智能辅助的型号,后者动辄索价50,000至60,000港元。他们也推出了3套价值80,000港元以上的正规型号,能针对不同检测环境(例如走廊或空旷环境)和同步检测人数要求(上限20人或40人),以满足不同类型客户的需求。不久前,一个印尼机场和一家葡萄牙赌场也成为他们的客户。

图片: 视野机械人的体温检测系统。

视野机械人的体温检测系统。

研究影像分析的缘起

在体温探测的业务之外,视野机械人的「正职」其实是利用无人机和智能火险监控报警机械人收集高处拍摄的地面红外线热成像,进行大规模的地面影像分析。自2009年成立以来,公司都以保护树木和防治山火为研发及业务拓展目标。

岑棓琛及其团队的研发之路并非一帆风顺,岑说:「早于2010年,物联网(Internet of Things)还未广为人知时,我们就打算运用无线传感技术(wireless sensor network),透过在森林中放置大量感应器探测山火。可是,我们发现感应器的探测范围只有几十米,一个小型森林动辄须安装成千上万个感应器。要保护全球的森林,估计就可能须放置几十亿个感应器,这样的工程难度和维修成本可与采用5G技术看齐。此外,大量的感应器电池将引发电子垃圾危机,导致生态灾难,与我们的保育理念大相迳庭。

「我们也曾考虑利用太空卫星图片侦测山火。可是,卫星摄影机比我们想像中更受云层影响,难以在水分不易蒸发、时常雨云密布的热带雨林地区大派用场。市民大众在网上地图清楚看到的地理图片,其实往往是服务开发者以多年的卫星图片结合而成。换言之,所谓『上帝视角』的卫星角度看地球,大部分时间都是不甚了了。」

考虑到技术和商业的可行性,岑棓琛的团队最终选择采用红外线热成像技术。他说:「图像主要可以分为红外线热成像和可见光图像。可见光图像分析的技术要求较高。不少时候,晨雾会被误认为山火烟雾,触发误报。因此,我们只有在积累了多年科研经验后,才有信心推出烟雾侦测及分析产品。在红外线热成像探测技术方面,我们有幸与香港和广东省的政府部门合作,多年来累积了宝贵的山火实验数据。

「经渔农自然护理署的转介,我们收集了本地农民在私人耕地焚烧垃圾和田草的数据,并成功与广东省林业科学研究院合作,进行有控制的森林大火实地采样。该研究院为我们准备了一片1平方公里深受病虫害困扰的森林,在设立完备防火带的情况下,点火焚烧。过程中,我们利用感应器和热成像传感器收集到火种形成和扩散的数据,使我们成为全球唯一进行过森林火灾实验的山火侦测及预防技术研发团队。」

美国国家航空航天局地球观测实验室(NASA Earth Observation Laboratory)的研究指出,全球约92%的山火都是人为的。有见及此,岑棓琛认为以图像分析进行防火符合成本效益,他分析说:「山火大多出现在人类活动范围附近。换言之山火的火头附近通常都有通讯网络和电网设施。我们大可把装载了热成像传感器的机械人放在这些通讯网络和电网附近,既可利用电网为仪器供电,又可以使用通讯网络进行资料传输。当发现山火,机械人可以自动经4G、5G或Wifi网络把火资讯发送到附近的基站,再经互联网通知有关救灾部门灭火。不过,如果山火发生在杳无人烟的地方,火灾讯息无法经地面基站传送,我们就要选用昂贵的卫星通讯网络。」

他又指出:「高空或地面拍摄到的图片都是平面影像,要找出准确的山火位置,消防员还需要经度、纬度和高度的数据。因此,我们为整个地球建构了一个立体电子模型,结合机械人观察的角度、方位和像数,利用画面推算出火种的准确位置。换言之,我们能够把平面图像转化为立体定位。我们已为这个环球视野(Insight Globe)地理讯息系统在香港、中国内地、印尼和美国取得专利注册。」

图片: 视野机械人的智能火险监控报警系统能够全天候360度监视在8公里半径范围内,小至6平方米的火源,并在山火发生的10分钟内向有关救灾部门发送火情座标。

视野机械人的智能火险监控报警系统能够全天候360度监视在8公里半径范围内,小至6平方米的火源,并在山火发生的10分钟内向有关救灾部门发送火情座标。

走向世界

岑棓琛表示他们在香港和中国内地所累积的经验,有助他们把技术推广至海外市场。他分享说:「鲜为人知的是香港在农林业方面的科技应用和管理技术上位居世界前列。香港的原生树木众多,而且夹杂不少人工种植种类。香港的人工植树技术高超,防火带、防火林和隔火植物的规划完善,令本地树林甚少出现大规模的病虫害和山火。与其他地区的做法相近,香港的火灾处理也分为市区和郊区,市区由消防署管辖,郊区则由渔农自然护理署的打火队负责。由于大部分的山火都会由市区蔓延至郊区,这两个部门要合作无间,方能及早发现和扑灭『跨区』山火。这套行之已久和行之有效的山火防治系统,令香港在世界农林业界稳占一个重要席位。」

中国内地拥有大片森林土地,是视野机械人实践抱负及向海外客户展现实力的重要基地。岑说:「我们曾与海外客户走访济南和广州等地,视察我们的人工智能系统如何辅助当地的防火指挥中心防治山火,好让海外客户明白按我们处理内地森林规模的能力和经验,管理他们的树林和种植园绝对不成问题。」

印尼是棕榈油及木材的主要生产和出口国,也是视野机械人继中国内地之后的一个重要市场,他说:「在印尼,林业公司的种植园不时出现火种,影响附近的原始森林。原始森林被烧毁后,不法的林业公司在赔偿的同时,为求图利往往会向政府以低价买入相关土地的种植权。由于林业公司须大量种植同一种树木以增加利润,病虫害的风险因而大增。为弥补每年因而产生的损失,这些不法的林业公司不时会任由山火扩散,以获取用低价租用更大面积土地种植更多树木的机会。」

为了打击相关的非法纵火行为和保护原始森林,印尼政府在2016年推出了全球首个木材合法性验证系统(Timber Legality Verification System, SVLK),透过严谨的发牌制度监管林业及有关出口企业,要求持牌人为种植园设立防火机制。被发现非法纵火的企业会被取消牌照,并失去出口许可执照。视野机械人旋即成为印尼政府有关山火防治部门,以及私人林业公司的重要合作伙伴。

岑棓琛说:「印尼的环境及林业部(Ministry of Environment and Forestry)添置了我们的智能火险监控报警系统管制非法纵火。同时,部分林业公司也安装了我们的系统,确保若受邻近种植园火灾波及时,公司能够掌握足够证据处理法律责任问题。」

视野机械人曾在南非举行的一个森林火侦测比赛中,确立其领先地位。岑说:「非洲的林业企业联盟曾为其森林火警报系统作全球招标。招标以比赛形式进行,在为期两星期的赛事期间,主办方不停在比赛林场范围内『纵火』,并要求参赛企业以最快速度侦测火种的精确位置。我们是唯一一家使用机械人参赛的公司,而『人机大战』的结果就是机械人不论在反应和准绳方面都较人手优越。」

相片: 视野机械人在南非测试的智能火险监控报警系统。

视野机械人在南非测试的智能火险监控报警系统。

除了农业国家和地区外,视野机械人也受到不同国家的保险及金融机构青睐。岑棓琛表示:「在发达国家的森林火灾虽然不至于影响林业生产,却也对人类财产造成极大损害。一家瑞士再保险公司去年就因承保被森林大火烧毁的电网、无线网络等基础设施,赔偿了600亿美元。保险公司理论上只会承保天灾所带来的损失,但往往苦无证据分辨有关火灾属于天灾还是人祸。透过与我们合作,把火灾侦测机械人和保险计划挂勾,保险公司就可以更方便有效地厘清法律责任,作出合理赔偿和管理风险。」

他补充说:「一些拥有农林业生产业务的金融企业也会使用我们的服务,包括实时监测病虫害、水灾和火灾对于原材料供应及期货价格的影响。当他们的生产业务受天灾影响,他们可以预计到同区的业界所受的影响,从而适时进行期货交易,对冲风险,甚至从中投资获利。」

可持续的人工智能开发

岑棓琛认为公司的商业模式,有利于人工智能的可持续发展。他说:「人工智能就像婴儿一样,须接触学习材料才可以发展出不同的技能,而视野机械人就是一家不断收集大量独家学习材料的企业。我们定期利用无人机或智能火险监控报警机械人收集约300万公顷土地的影像,除了会看到非法纵火,还会获得无数须进一步分析的影像。这些独家的学习材料就是公司长远发展的资本,有助开发人工智能对不同影像分析的能力和应用。」

其中,视野机械人善用多年在印尼收集的数据,开发了树木分析功能。人工智能可以运用无人机拍摄所得的图片,计算出树木的数量,并侦测出每一棵树的品种、高度、大小、落叶和健康状况。他分析指出:「一般来说,树木甚少有重叠的状况。在种植园,员工会隔开每一棵树;而天然森林则有树冠羞避(Crown shyness)现象,即原始树木之间会自然保持距离。因此,无人机可以像扫描器一样由高空拍摄到每一棵树的影像。同时,我们会指示员工实地为影像所见的每一棵树进行标示,让人工智能学会分析不同树木的影像。」

岑棓琛表示,树木分析深受林业公司欢迎,如今已经成为视野机械人的主要生意来源。他解释道:「有植树公司虽然每天计划种植并同时砍伐200万棵树木,但多年过去,种植场内树木的总数却不断减少,累计损失接近树木总数的一成。个中原因可以包括盗窃、病虫害或者人手点算失误。若有关的植树公司利用射频识别技术(RFID)或者其他主动感应器(active sensors)管理种植园,情况就如我先前所述一样,所涉金额肯定会是一个天文数字。我们的图像分析不需要大量仪器,只须一台无人机定时在高空扫描,就能侦测及评估出一些人手难以获取的资讯,例如树木高度。有了这些重要的资讯,植树公司就能够按高度规定砍伐树木。」

图片: 视野机械人透过无人机进行地形测绘和作物评估,提升种植林管理效率。

视野机械人透过无人机进行地形测绘和作物评估,提升种植林管理效率。

疫情下的危与机

一直以来,视野机械人都在香港科学园进行人工智能研发,而负责采集数据的无人机、智能火险监控报警系统及其零部件则依靠大湾区内的生产链。岑棓琛说:「我们会由大湾区的无人机生产商直接发货到海外用家。在发货前,我们会要求厂商提供原材料供应商的资料,也会派员到工厂检查原材料和无人机制成品的质量。我们必须确保原材料的质量,否则无人机可能会在飞行途中解体,锂电池也可能因著地时爆炸而酿成火灾。」

时疫当前,视野机械人无法派员到大湾区厂房进行产品测试,基于对质量的坚持,他们须把机械人的最后组装工序带回香港进行。零部件供应也受疫情影响而较为紧张。因此,他们会建议客户改用其他供应商的小型四掌航拍机。他补充说:「不过,我们组装的大型定翼无人机能续航2,000公顷范围,而小型四掌航拍机一般只能覆盖100公顷范围。」 

相片: 视野机械人的定翼无人机。

视野机械人的定翼无人机。

至于最重要的红外线热成像仪,视野机械人会因应客户要求,采用不同产地供应的装置。在中国内地,该公司大多采用大立科技的产品,每台机械人可以监测5公里半径范围内的山火。其他国家及地区的客户则主要采用欧美供应的产品,每台机械人可以覆盖8公里半径范围。然而,在实际应用上,他们曾经成功为墨西哥客户侦测到20公里外的火种。

岑棓琛承认,红外线热成像仪是一项相对敏感的技术,他说:「顶尖的红外线热成像仪每秒能够拍摄30个影像,可以应用于侦测热追踪导弹和火箭的活动。我们的服务则最多只会用到每秒拍摄9个影像的红外线热成像仪。但是,民用的红外线热成像仪,也会因为相关技术的敏感性,而遭受到较繁复的进出口审查。最近,一家进驻香港科学园的新加坡公司,能够制造像数较低的红外线热成像仪,虽然这只适用于体温枪之类,但也是一个好的开端。」

岑棓琛又指出,新冠肺炎疫情是一个契机,令图像分析、云端运算和人工智能由可有可无的前卫概念变成必需品。「以往,印尼的林业公司为保障当地就业,多数只会把种植园检测的工作交给本地人负责。可是,当地夏天天气酷热,气温高达40度以上,加上种植园地势陡峭,员工无法戴著口罩爬山工作,所以唯有寻求人工智能协助。」

近年电竞行业蓬勃,连带显卡(graphic card)和图像加速器(graphic accelerator)等的技术发展一日千里,以往要3日才能完成的影像分析和学习工作,现在只需数小时就可以完成。岑棓琛深信,电竞行业所带动的图像技术应用只是刚刚开始,未来图像分析必定能够在各个不同领域大放异彩。

他又认为,疫情加深了不同行业对云端运算的认识,令他们瞭解到私有云、混合云和共享云能够满足不同企业对数据管理和私隐保障不同程度的要求,令相关技术应用的发展提早了4年出现。视野机械人也运用云端运算大幅提升处理能力。包括林业公司在内的企业,生产估算往往是重要的商业机密,因此要特别设置混合云,方便与共享云保持连结,同时能够把商业机密集中存放在客户的私有云伺服器中。

最近,岑棓琛的科研团队也为香港不同的公私营机构提供人工智能分析软件,协助用户找出需要维修的马路,以及侦测路面上不同车辆类别的流量和建筑物高度。负责提供香港境内地图资讯和土地测量服务的香港地政总署,也成为视野机械人的客户。他说:「地政总署每季都会利用政府飞行服务队所拍摄的航空图片,记录香港地貌和土地用途的变化。过往,他们的职员会利用地理信息软件分辨土地用途的变化,但所需的时间和人手较多,而且操作繁复。现在,我们开发的人工智能航拍图像分析系统会自动标记大厦、小屋、车辆等物件,帮助地政总署节省大量人手。我们会为地政总署有关人工智能软件的电脑进行维修保养,也会视乎使用需要和技术发展,为署方提供新的功能和增值服务,例如辨识不同颜色的计程车、太阳伞和太阳能板等技术选项。」

他又透露在疫情期间,视野机械人的人工智能软件的销情远胜预期,令该公司今年上半年的同比业绩不跌反升。

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