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走出疫境:影像分析機械人
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,世界各地都要面對防控疫情與重啟經濟的兩難局面。疫情嚴峻,不同企業及機構正致力轉變辦公及營運模式以減少人群聚集及不必要的人際接觸,同時體溫檢測儀等設備已成為公眾地方必備的防疫工具。
視野機械人有限公司(下稱「視野機械人」)立足香港科學園,研究並提供以人工智能驅動的高解析度圖像分析技術及服務,自成立以來一直以無人機和智能火險監控報警機械人守護香港、中國內地及全球多個地區共300萬公頃的樹林和土地,免受山火威脅。最近因應疫情發展,視野機械人更以成本價協助香港科學園及紅十字會設立人群體溫檢測系統。
受惠於粵港澳大灣區的電子機械產業優勢,以及香港與全球科技供應鏈的緊密聯繫,視野機械人提供科技軟硬件的一站式服務。隨著全球供應鏈在疫情下重組,該公司也隨機應變,探索不同合作模式,專注於人工智能軟件技術研發及推廣。視野機械人聯合創辦人及首席科學官岑棓琛最近接受香港貿發局經貿研究專訪,分享該公司的圖像分析技術在疫情下及疫情後的應用和願景。
人群體溫檢測系統
發燒是新冠肺炎的常見症狀,因此除了正確佩戴口罩及以酒精搓手液潔淨雙手外,在公共場所出入口進行體溫檢測已成常態。可是,在人流高的地方逐一運用體溫槍測量體溫不僅費時失事,也為相關工作人員帶來健康風險。有見及此,部分商廈及人流高的地方已採用大型人群體溫檢測系統。然而,這些系統大多須由技術人員定期調校和保養,以免被環境因素如室內溫度和陽光強弱等影響檢測的準確度。
雙溫度黑體校準器。
為解決有關問題,視野機械人運用自身多年在紅外線熱成像採集及人工智能分析技術領域的經驗,開發出一套適合用於防控疫情的人群體溫檢測系統。岑棓琛說:「市面上的紅外線熱成像儀大多數須每日調校一次,以準確找出發燒人士。不同的是,我們的紅外線熱成像儀加入了雙溫度黑體作為固定的指標,能夠對環境因素自動作出實時調整。
「我們不單能夠做到自動調節溫度,還可以視乎用家的需要,提供客製化功能。例如,我們可以因應機場和國際專櫃品牌客戶的保安及保障私隱要求,為檢測對象的面容『打格』。機場是國際交流的樞紐,保障旅客行蹤免被不法之徒利用尤為關鍵。另外,對國際專櫃品牌來說,保護客戶私隱對提升信譽及顧客忠誠度也至關重要。故此,我們的系統會為沒有發燒的人士『打格』,而當發燒的人士被發現後,其頭像也會隨之刪除。」
可見光圖像為沒有發燒的人士的「打格」功能。
目前,視野機械人已為香港科學園和香港紅十字會青年及義工事務部幾個分區總部安裝了人群體溫檢測系統。岑棓琛稱,他們在香港提供的體溫偵測服務主要是一項與普羅大眾共渡時艱的公益活動。為此,他們特別訂製一款性能最簡單的體溫檢測系統,其售價為每台20,000至30,000港元,遠低於市面上配備黑體而沒有人工智能輔助的型號,後者動輒索價50,000至60,000港元。他們也推出了3套價值80,000港元以上的正規型號,能針對不同檢測環境(例如走廊或空曠環境)和同步檢測人數要求(上限20人或40人),以滿足不同類型客戶的需求。不久前,一個印尼機場和一家葡萄牙賭場也成為他們的客戶。
視野機械人的體溫檢測系統。
研究影像分析的緣起
在體溫探測的業務之外,視野機械人的「正職」其實是利用無人機和智能火險監控報警機械人收集高處拍攝的地面紅外線熱成像,進行大規模的地面影像分析。自2009年成立以來,公司都以保護樹木和防治山火為研發及業務拓展目標。
岑棓琛及其團隊的研發之路並非一帆風順,岑說:「早於2010年,物聯網(Internet of Things)還未廣為人知時,我們就打算運用無線傳感技術(wireless sensor network),透過在森林中放置大量感應器探測山火。可是,我們發現感應器的探測範圍只有幾十米,一個小型森林動輒須安裝成千上萬個感應器。要保護全球的森林,估計就可能須放置幾十億個感應器,這樣的工程難度和維修成本可與採用5G技術看齊。此外,大量的感應器電池將引發電子垃圾危機,導致生態災難,與我們的保育理念大相逕庭。
「我們也曾考慮利用太空衛星圖片偵測山火。可是,衛星攝影機比我們想像中更受雲層影響,難以在水分不易蒸發、時常雨雲密布的熱帶雨林地區大派用場。市民大眾在網上地圖清楚看到的地理圖片,其實往往是服務開發者以多年的衛星圖片結合而成。換言之,所謂『上帝視角』的衛星角度看地球,大部分時間都是不甚了了。」
考慮到技術和商業的可行性,岑棓琛的團隊最終選擇採用紅外線熱成像技術。他說:「圖像主要可以分為紅外線熱成像和可見光圖像。可見光圖像分析的技術要求較高。不少時候,晨霧會被誤認為山火煙霧,觸發誤報。因此,我們只有在積累了多年科研經驗後,才有信心推出煙霧偵測及分析產品。在紅外線熱成像探測技術方面,我們有幸與香港和廣東省的政府部門合作,多年來累積了寶貴的山火實驗數據。
「經漁農自然護理署的轉介,我們收集了本地農民在私人耕地焚燒垃圾和田草的數據,並成功與廣東省林業科學研究院合作,進行有控制的森林大火實地採樣。該研究院為我們準備了一片1平方公里深受病蟲害困擾的森林,在設立完備防火帶的情況下,點火焚燒。過程中,我們利用感應器和熱成像傳感器收集到火種形成和擴散的數據,使我們成為全球唯一進行過森林火災實驗的山火偵測及預防技術研發團隊。」
美國國家航空航天局地球觀測實驗室(NASA Earth Observation Laboratory)的研究指出,全球約92%的山火都是人為的。有見及此,岑棓琛認為以圖像分析進行防火符合成本效益,他分析說:「山火大多出現在人類活動範圍附近。換言之山火的火頭附近通常都有通訊網絡和電網設施。我們大可把裝載了熱成像傳感器的機械人放在這些通訊網絡和電網附近,既可利用電網為儀器供電,又可以使用通訊網絡進行資料傳輸。當發現山火,機械人可以自動經4G、5G或Wifi網絡把火資訊發送到附近的基站,再經互聯網通知有關救災部門滅火。不過,如果山火發生在杳無人煙的地方,火災訊息無法經地面基站傳送,我們就要選用昂貴的衛星通訊網絡。」
他又指出:「高空或地面拍攝到的圖片都是平面影像,要找出準確的山火位置,消防員還需要經度、緯度和高度的數據。因此,我們為整個地球建構了一個立體電子模型,結合機械人觀察的角度、方位和像數,利用畫面推算出火種的準確位置。換言之,我們能夠把平面圖像轉化為立體定位。我們已為這個環球視野(Insight Globe)地理訊息系統在香港、中國內地、印尼和美國取得專利註冊。」
視野機械人的智能火險監控報警系統能夠全天候360度監視在8公里半徑範圍內,小至6平方米的火源,並在山火發生的10分鐘內向有關救災部門發送火情座標。
走向世界
岑棓琛表示他們在香港和中國內地所累積的經驗,有助他們把技術推廣至海外市場。他分享說:「鮮為人知的是香港在農林業方面的科技應用和管理技術上位居世界前列。香港的原生樹木眾多,而且夾雜不少人工種植種類。香港的人工植樹技術高超,防火帶、防火林和隔火植物的規劃完善,令本地樹林甚少出現大規模的病蟲害和山火。與其他地區的做法相近,香港的火災處理也分為市區和郊區,市區由消防署管轄,郊區則由漁農自然護理署的打火隊負責。由於大部分的山火都會由市區蔓延至郊區,這兩個部門要合作無間,方能及早發現和撲滅『跨區』山火。這套行之已久和行之有效的山火防治系統,令香港在世界農林業界穩佔一個重要席位。」
中國內地擁有大片森林土地,是視野機械人實踐抱負及向海外客戶展現實力的重要基地。岑說:「我們曾與海外客戶走訪濟南和廣州等地,視察我們的人工智能系統如何輔助當地的防火指揮中心防治山火,好讓海外客戶明白按我們處理內地森林規模的能力和經驗,管理他們的樹林和種植園絕對不成問題。」
印尼是棕櫚油及木材的主要生產和出口國,也是視野機械人繼中國內地之後的一個重要市場,他說:「在印尼,林業公司的種植園不時出現火種,影響附近的原始森林。原始森林被燒毀後,不法的林業公司在賠償的同時,為求圖利往往會向政府以低價買入相關土地的種植權。由於林業公司須大量種植同一種樹木以增加利潤,病蟲害的風險因而大增。為彌補每年因而產生的損失,這些不法的林業公司不時會任由山火擴散,以獲取用低價租用更大面積土地種植更多樹木的機會。」
為了打擊相關的非法縱火行為和保護原始森林,印尼政府在2016年推出了全球首個木材合法性驗證系統(Timber Legality Verification System, SVLK),透過嚴謹的發牌制度監管林業及有關出口企業,要求持牌人為種植園設立防火機制。被發現非法縱火的企業會被取消牌照,並失去出口許可執照。視野機械人旋即成為印尼政府有關山火防治部門,以及私人林業公司的重要合作夥伴。
岑棓琛說:「印尼的環境及林業部(Ministry of Environment and Forestry)添置了我們的智能火險監控報警系統管制非法縱火。同時,部分林業公司也安裝了我們的系統,確保若受鄰近種植園火災波及時,公司能夠掌握足夠證據處理法律責任問題。」
視野機械人曾在南非舉行的一個森林火偵測比賽中,確立其領先地位。岑說:「非洲的林業企業聯盟曾為其森林火警報系統作全球招標。招標以比賽形式進行,在為期兩星期的賽事期間,主辦方不停在比賽林場範圍內『縱火』,並要求參賽企業以最快速度偵測火種的精確位置。我們是唯一一家使用機械人參賽的公司,而『人機大戰』的結果就是機械人不論在反應和準繩方面都較人手優越。」
視野機械人在南非測試的智能火險監控報警系統。
除了農業國家和地區外,視野機械人也受到不同國家的保險及金融機構青睞。岑棓琛表示:「在發達國家的森林火災雖然不至於影響林業生產,卻也對人類財產造成極大損害。一家瑞士再保險公司去年就因承保被森林大火燒毀的電網、無線網絡等基礎設施,賠償了600億美元。保險公司理論上只會承保天災所帶來的損失,但往往苦無證據分辨有關火災屬於天災還是人禍。透過與我們合作,把火災偵測機械人和保險計劃掛勾,保險公司就可以更方便有效地釐清法律責任,作出合理賠償和管理風險。」
他補充說:「一些擁有農林業生產業務的金融企業也會使用我們的服務,包括實時監測病蟲害、水災和火災對於原材料供應及期貨價格的影響。當他們的生產業務受天災影響,他們可以預計到同區的業界所受的影響,從而適時進行期貨交易,對沖風險,甚至從中投資獲利。」
可持續的人工智能開發
岑棓琛認為公司的商業模式,有利於人工智能的可持續發展。他說:「人工智能就像嬰兒一樣,須接觸學習材料才可以發展出不同的技能,而視野機械人就是一家不斷收集大量獨家學習材料的企業。我們定期利用無人機或智能火險監控報警機械人收集約300萬公頃土地的影像,除了會看到非法縱火,還會獲得無數須進一步分析的影像。這些獨家的學習材料就是公司長遠發展的資本,有助開發人工智能對不同影像分析的能力和應用。」
其中,視野機械人善用多年在印尼收集的數據,開發了樹木分析功能。人工智能可以運用無人機拍攝所得的圖片,計算出樹木的數量,並偵測出每一棵樹的品種、高度、大小、落葉和健康狀況。他分析指出:「一般來說,樹木甚少有重疊的狀況。在種植園,員工會隔開每一棵樹;而天然森林則有樹冠羞避(Crown shyness)現象,即原始樹木之間會自然保持距離。因此,無人機可以像掃描器一樣由高空拍攝到每一棵樹的影像。同時,我們會指示員工實地為影像所見的每一棵樹進行標示,讓人工智能學會分析不同樹木的影像。」
岑棓琛表示,樹木分析深受林業公司歡迎,如今已經成為視野機械人的主要生意來源。他解釋道:「有植樹公司雖然每天計劃種植並同時砍伐200萬棵樹木,但多年過去,種植場內樹木的總數卻不斷減少,累計損失接近樹木總數的一成。箇中原因可以包括盜竊、病蟲害或者人手點算失誤。若有關的植樹公司利用射頻識別技術(RFID)或者其他主動感應器(active sensors)管理種植園,情況就如我先前所述一樣,所涉金額肯定會是一個天文數字。我們的圖像分析不需要大量儀器,只須一台無人機定時在高空掃描,就能偵測及評估出一些人手難以獲取的資訊,例如樹木高度。有了這些重要的資訊,植樹公司就能夠按高度規定砍伐樹木。」
視野機械人透過無人機進行地形測繪和作物評估,提升種植林管理效率。
疫情下的危與機
一直以來,視野機械人都在香港科學園進行人工智能研發,而負責採集數據的無人機、智能火險監控報警系統及其零部件則依靠大灣區內的生產鏈。岑棓琛說:「我們會由大灣區的無人機生產商直接發貨到海外用家。在發貨前,我們會要求廠商提供原材料供應商的資料,也會派員到工廠檢查原材料和無人機製成品的質量。我們必須確保原材料的質量,否則無人機可能會在飛行途中解體,鋰電池也可能因著地時爆炸而釀成火災。」
時疫當前,視野機械人無法派員到大灣區廠房進行產品測試,基於對質量的堅持,他們須把機械人的最後組裝工序帶回香港進行。零部件供應也受疫情影響而較為緊張。因此,他們會建議客戶改用其他供應商的小型四掌航拍機。他補充說:「不過,我們組裝的大型定翼無人機能續航2,000公頃範圍,而小型四掌航拍機一般只能覆蓋100公頃範圍。」
視野機械人的定翼無人機。
至於最重要的紅外線熱成像儀,視野機械人會因應客戶要求,採用不同產地供應的裝置。在中國內地,該公司大多採用大立科技的產品,每台機械人可以監測5公里半徑範圍內的山火。其他國家及地區的客戶則主要採用歐美供應的產品,每台機械人可以覆蓋8公里半徑範圍。然而,在實際應用上,他們曾經成功為墨西哥客戶偵測到20公里外的火種。
岑棓琛承認,紅外線熱成像儀是一項相對敏感的技術,他說:「頂尖的紅外線熱成像儀每秒能夠拍攝30個影像,可以應用於偵測熱追蹤導彈和火箭的活動。我們的服務則最多只會用到每秒拍攝9個影像的紅外線熱成像儀。但是,民用的紅外線熱成像儀,也會因為相關技術的敏感性,而遭受到較繁複的進出口審查。最近,一家進駐香港科學園的新加坡公司,能夠製造像數較低的紅外線熱成像儀,雖然這只適用於體溫槍之類,但也是一個好的開端。」
岑棓琛又指出,新冠肺炎疫情是一個契機,令圖像分析、雲端運算和人工智能由可有可無的前衛概念變成必需品。「以往,印尼的林業公司為保障當地就業,多數只會把種植園檢測的工作交給本地人負責。可是,當地夏天天氣酷熱,氣溫高達40度以上,加上種植園地勢陡峭,員工無法戴著口罩爬山工作,所以唯有尋求人工智能協助。」
近年電競行業蓬勃,連帶顯卡(graphic card)和圖像加速器(graphic accelerator)等的技術發展一日千里,以往要3日才能完成的影像分析和學習工作,現在只需數小時就可以完成。岑棓琛深信,電競行業所帶動的圖像技術應用只是剛剛開始,未來圖像分析必定能夠在各個不同領域大放異彩。
他又認為,疫情加深了不同行業對雲端運算的認識,令他們瞭解到私有雲、混合雲和共享雲能夠滿足不同企業對數據管理和私隱保障不同程度的要求,令相關技術應用的發展提早了4年出現。視野機械人也運用雲端運算大幅提升處理能力。包括林業公司在內的企業,生產估算往往是重要的商業機密,因此要特別設置混合雲,方便與共享雲保持連結,同時能夠把商業機密集中存放在客戶的私有雲伺服器中。
最近,岑棓琛的科研團隊也為香港不同的公私營機構提供人工智能分析軟件,協助用戶找出需要維修的馬路,以及偵測路面上不同車輛類別的流量和建築物高度。負責提供香港境內地圖資訊和土地測量服務的香港地政總署,也成為視野機械人的客戶。他說:「地政總署每季都會利用政府飛行服務隊所拍攝的航空圖片,記錄香港地貌和土地用途的變化。過往,他們的職員會利用地理信息軟件分辨土地用途的變化,但所需的時間和人手較多,而且操作繁複。現在,我們開發的人工智能航拍圖像分析系統會自動標記大廈、小屋、車輛等物件,幫助地政總署節省大量人手。我們會為地政總署有關人工智能軟件的電腦進行維修保養,也會視乎使用需要和技術發展,為署方提供新的功能和增值服務,例如辨識不同顏色的計程車、太陽傘和太陽能板等技術選項。」
他又透露在疫情期間,視野機械人的人工智能軟件的銷情遠勝預期,令該公司今年上半年的同比業績不跌反升。
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