尽管暖通空调技术已日趋成熟,但室内人员对热环境的满意度总体而言仍然较低,根据国外学者对20年来9万份后评估问卷的统计,仅40%的在室人员对所处空间的温度感到满意
[1]
,且温度进一步影响室内环境质量的整体满意度
[2-3]
.研究表明,热不舒适可能影响人体健康
[4-5]
、工作效率
[6]
、睡眠质量
[7]
,引发病态建筑综合症(Sick Building Syndrome,SBS)
[8-9]
.同时,热不舒适引发的热适应行为如调节空调
[10]
和开关风扇
[11]
将直接影响建筑能耗.因此,人体热舒适对建筑节能设计与热工设计至关重要
[12]
.
为解决现实中热舒适水平较低的问题,热舒适研究已出现由集体温控转为个性化温控的趋势,而个性化温控的基础为个体热舒适模型(Personal Comfort Models,PCM)
[13]
.PCM利用机器学习等算法基于物理环境、生理指标或用户行为对个体热舒适(而非人群热舒适)进行预测,准确率达70%以上.其中,生理指标(如皮肤温度)可采用侵入式、准侵入式或非侵入式测量方法
[14-15]
.非侵入式方法基于视频图像和计算机视觉技术预测个体热舒适,对人体影响最小,但技术尚未成熟,本研究即为非侵入式方法预测个体热舒适的探索研究.
非侵入式方法可采用可见光相机或红外相机
[16]
.可见光相机结合欧拉视频放大算法可以预测皮肤温度
[17-18]
,可见光视频也可以识别热舒适相关体态
[19]
,但这些方法的预测结果并不直接代表个体热舒适,且可见光相机在实际应用中容易引发隐私问题.而红外相机(红外热像仪)通过捕捉物体本身散发出的红外线辐射进行感光成像,相比可见光图缺少细节纹理信息
[20]
,不侵犯隐私.同时,红外热像仪的测温精度可以通过测温算法校正等技术达到±0.3℃以内,满足精确测量人体温度的需求
[21]
.
近年来已有一些红外相机与热舒适结合的研究.2016年,Ranjan和Scott
[22]
提出用红外相机拍摄皮肤温度以控制供暖制冷,证明用面部温度判断是否开空调可获得94%~95%的准确率.Burzo等
[23]
用实验证明红外相机可以捕捉人的热不舒适情况,且较便宜的红外相机也可以获得70%以上的准确率.Metzmacher等
[24]
用红外相机对不同面部区域进行皮肤温度分析,发现前额中心点的温度最稳定,另一小型实验也说明前额温度与热感觉投票有较强的相关性
[25]
.2019年,陈庆财等
[26]
通过红外相机获取皮肤温度,并通过用户表达热感觉的人机界面在线学习皮肤温度舒适域,建立了一套室内热环境控制系统,获得了97%的用户满意度.
然而上述研究仍需要用户手动输入参数进行热舒适模型的校正,且尚未考虑年龄与性别因素的影响.已有研究表明,人体热舒适在不同年龄与性别之间差异性较大
[27-28]
,考虑年龄与性别将有助于提高PCM预测准确度.利用计算机视觉技术从红外热图中自动识别人的年龄与性别,可以最大限度减少对人工输入的依赖性,尤其适合在全球疫情下兴起的非固定工位办公模式和共享办公空间,即通过固定的红外热像仪识别流动人员.此外,年龄与性别可以修正皮肤温度以获得更准确的人体核心温度,有利于提高疫情常态化防控下的红外体温筛查精度.
目前,红外热图的性别与年龄识别方面研究较少.2011年,Cunjian Chen等
[29]
利用传统机器学习的LBP+SVM(RBF)算法在红外热图的性别识别上取得较好效果:男性准确率91.84%、女性准确率82.95%.2016年,Wang等
[30]
提出融合可见光图和红外热图,利用LBP+BN算法提取面部特征进行性别识别,获得84%左右的准确率.2017年,Nguyen等
[31]
利用卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNN)分别从可见光图和红外热图的全身像中提取特征,融合特征后利用SVM和PCA进行性别识别,错误率为11.439%.
相比之下,可见光图的性别与年龄识别研究较多.在性别识别方面,VGG-Face用于性别识别准确率稍低,为86.5%
[32]
.利用残差网络模型(ResNet)识别性别准确率可达92.7%
[33]
,WideResNet准确率可达92.0%
[34]
.若结合Inception和ResNet,可见光图的性别识别准确率可达男性96.4%、女性97.6%、总体97.0%
[35]
.在年龄识别方面,模型的评价方法有两种:完全准确率表示分类结果完全正确的频率; 一类偏差准确率代表分类结果完全正确或为紧邻类的频率.VGG-Face用于年龄识别准确率稍低,完全准确率为55.9%,一类偏差准确率85.3%
[32]
.2019年,张珂
[36]
利用VGGNet进行年龄八分类任务,每一类的完全正确率为80%、49.4%、38.8%、48.1%、60.0%、36.0%、37.3%、34.1%.若使用WideResNet模型,完全准确率可达67.7%
[34]
.残差网络模型(ResNet)识别年龄效果最好,完全准确率可达78.3%
[33]
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综上,目前红外热图的性别与年龄识别存在的问题主要有:(1)针对红外热图人脸图像采集与处理的方法尚不完备;(2)CNN用于红外热图的人脸性别与年龄识别的效果尚不清楚.针对以上两个问题,本文利用多种CNN算法对红外热图的人脸性别和年龄识别进行了一系列实验,主要贡献如下:(1)提出了有助于提高识别精度的人脸红外热图数据采集与处理方法;(2)比选得出了适用于红外热图中人脸性别与年龄识别的CNN算法.