（检测技术与自动化装置专业论文）轨道交通闸机控制系统中人体识别技术研究与实现.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着城市交通的发展，地铁作为一种现代化的交通工具以其运量大、速度 快、无污染、安全方便等优点在人们生活中越来越起到不可替代的作用，并且 先进的自动化技术逐步用于对地铁设备的智能控制中。作为整个地铁运营过程 中关键环节的自动售检票系统更是综合运用了各种现代化的智能控制技术。 自动售检票系统包括自动售票机、检票机( 闸机) 、分拣机等车站终端设备。 本文研究的对象是闸机控制系统，研究目标是设计一种方案，能够对通过闸机 的所有乘客和物体进行实时检测，并能够正确判断乘客数量，做到一卡对一人， 避免逃票情况的发生。 本文从对闸机设备的介绍、分析入手，说明了闸机控制系统中采用人体识 别技术的必要性；然后结合闸机控制系统的要求对国内外人体识别技术的背景 和现状做了简要介绍，论证了系统的可行性；接着提出了本系统的具体设计方 案和实现过程，最后通过实验论证了该设计方案达到的检测水平和整个控制系 统能够实现的功能。文章的重点是传感器的布置和人体识别的算法设计。 为了解决两个人贴近通过时的跟随进入问题，文章提出了以下解决方案： 1 传感器布局。根据人体的结构特征和人体各部分尺寸数据及人体正常行走时 的姿态，合理设计传感器的放置位置，使其获取的数据可以比较全面地反映不 同类型人群通过闸机时对传感器的遮挡情况，以便为正确进行人体识别提供可 靠数据。 2 人体识别的算法设计。文章首先按照乘客及乘客通行方式对通过闸机的运动 个体进行分类，然后针对每种分类反复采集数据，在大量实验数据分析的基础 上，总结每种乘客类型通过闸机时的典型特征，最后再结合人的经验和实际需 要设计判别规则。 3 基于视频的人体识别。突破了常规的图像识别方法，采用简单快速的图像提 取和特征分析方法，基本满足了系统实时性的要求。 关键词：人体识别、传感器、规则、图像识别 v 上海大学硕士学位论文 a b s t 刚蛇t a l o n gw i t l lt h ed e v e l o p m e n to fu r b a nt r a n s p o r t ，t h eu n d e r g r o u n da sak i n do f m o d e mv e h i c l ei sp l a y i n gam o r ei m p o r t a n ta n di r r e p l a c e a b l er o l e ，f o ri t sc a p a c i t y , f a s t ，c l e a n ，s a f ea n dc o n v e n i e n ta d v a n t a g e so np e o p l e sl i v e s a n da d v a n c e d a u t o m a t i o nt e c h n o l o g yi s g r a d u a l l yu s e di ni n t e l l i g e n tc o n t r o lo fu n d e r g r o u n d e q u i p m e n t a st h ek e yl i n ki nt h ew h o l ep r o c e s so fo p e r a t i n gt h ea f cs y s t e mi s i n t e g r a t e dw i t hv a r i o u sm o d e mi n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g i e s a f cs y s t e mi n c l u d e sa u t o m a t i ct i c k e t i n gm a c h i n e s ，t i c k e tc o l l e c t o rm a c h i n e ( g a t e s ) ，s o r t i n gm a c h i n ea n do t h e rs t a t i o n st e r m i n a le q u i p m e n t t h eo b j e c to ft h i s p a p e ri st h eg a t e w a ym a c h i n ec o n t r o l ，r e s e a r c ho b j e c t i v ei st od e s i g nap r o g r a m ， w h i c hc a nh a v ear e a l - t i m ed e t e c t i o nt oa l lt h ep a s s e n g e r sa n do b j e c t st h r o u g ht h e g a t e s ，a n db ea b l et oc o r r e c t l yd i s t i n g u i s ht h ev a r i o u sp a s s e n g e r sp a s s e d ，d oo n ec a r d t oo n e p e r s o n , t oa v o i dt h eo c c u l t e n c co ff a r ee v a s i o n b a s e do nt h eg a t e so ft h ee q u i p m e n t ，s t a r t i n gw i ma n a l y s i so nt h eg a t ec o n t r o l s y s t e mt h ea r t i c l ee x p l a i nt h en e e df o rh u m a ni d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi ng a t e s ，a n d t h e nc o m b i n i n gt h er e q u i r e m e n t so fg a t ec o n t r o ls y s t e mi n t r o d u c et h ed o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lh u m a ni d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yb a c k g r o u n da n dab r i e fo nt h es t a t u s q u o ，d e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t e m ，t h e nt h ea r t i c l er a i s e dt h es p e c i f i c d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o np r o c e s s ，f i n a lt h r o u g ha d o p t i o n o ft h e t e s t i n g d e m o n s t r a t et h el e v e lo ft h ed e s i g na c h i e v e d ，a n dt h ea d v a n t a g e so ft h ee n t i r ec o n t r o l s y s t e mc o m p l e t e d t h ea r t i c l ef o c u s e so nt h eh u m a nb o d ys e n s o rl a y o u ta n d r e c o g n i t i o na l g o r i t h m s f o rr e s o l v i n gt h ep r o b l e mo ff o l l o w i n gt h r o u g hw h e nt w op e o p l ec l o s e l y e n o u g h , t h ea r t i c l em a d et h ef o l l o w i n gs o l u t i o n s ： 1 s e n s o rl a y o u t a c c o r d i n gt ot h eh u m a nb o d ys t r u c t u r ea n ds i z ed a t a , a n dh u m a n n o r m a lw a l k i n gp o s t u r e ，t h er a t i o n a ld e s i g no fs e n s o r sl a y o u tm a k ei tc a nm o r e v i c o m p r e h e n s i v e l yr e f l e c tc h a r a c t e r i s t i c so f t h eh u m a nb o d y , p r o v i d er e l i a b l ed a t af o r t h ec o r r e c tt h eh u m a nb o d yi d e n t i f i c a t i o n 2 t h eb o d yi d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h md e s i g n f i r s t l y , t h ea r t i c l ec l a s s i f i e dt h e i n d i v i d u a lt h r o u g ht h eg a t e si na c c o r d a n c ew i t hp a s s e n g e r sa n dt h ew a y o fp a s s e n g e r m o v e m e n t ，a n dt h e nr e p e a t e dd a t ac o l l e c t i o nf o re a c hc l a s s i f i c a t i o n ；g e tt h et y p i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fe a c ht y p ep a s s e n g e r st h r o u g ht h eg a t e so r lt h eb a s i so fa n a l y s i sf o r l a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t a ld a t a f i n a ld e s i g n e dd i s c r i m i n a t i o nr u l e sc o m b i n e d w i t ht h em a ne x p e r i e n c ea n da c t u a ln e e d s 3 av i d e o - b a s e dh u m a ni d e n t i f i c a t i o n b r e a k t h r o u g hc o n v e n t i o n a li m a g e r e c o g n i t i o nm e t h o d ，i tu s eas i m p l er a p i dm e t h o df o ri m a g ee x t r a c t i o na n dc h a r a c t e r a n a l y s i st om e e tt h er e a l t i m es y s t e mr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：b o d yi d e n t i f i c a t i o n ；s e n s o r s ；r u l e s ；i m a g er e c o g n i t i o n v i i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 上海大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 随着城市人口数量的不断增加，世界各国都在面临城市交通拥挤的压力。 地铁与其他交通工具相比，具有很多优点。首先，地铁节省地皮。因为地铁是建 设在地面以下，这样就可以节省很大的空间用于其他用途，尤其在城市中心区， 地皮价格昂贵，修建地铁可以节省大量土地和资金。另外，地铁对地面的生态有 极大的改善。建了地铁以后，缓解了城市交通的堵塞，城市街道可以变得赏心悦 目。减少了沥青，减少了停车场，增加了绿色，城市会变得富有人情味。更重要 的是地铁具有运量大、无污染、速度快、安全方便等优点，因此在城市交通运输 中逐渐起到主导作用。 1 8 6 3 年世界上第一条地下铁路在英国伦敦问世，它标志着城市快速轨道交 通在世界上诞生，此后一百多年来地铁迅猛发展。1 9 世纪末，纽约、伊斯坦布 尔、芝加哥、维也纳、布达佩斯、波土顿等城市相继建成了自己的地铁。1 9 2 5 1 9 4 9 年，由于第二次世界大战的影响，城市轨道建设速度放慢。第二次世界大战以后， 地铁更是受到各国的广泛关注，许多城市陆续修建地铁，1 9 5 0 1 9 7 4 年，欧洲、 亚洲、美洲有3 0 余座城市地铁相继通车。据相关资料显示，近5 0 年间，有9 0 多座城市建成了地下铁路。现在全世界已有1 0 0 多座城市开通了3 0 0 多条地铁线 路，长度超过了7 0 0 0 公里【1 1 。 进入新世纪以来，随着经济的发展，改革的深入，我国许多大城市加快了地 铁建设的步伐。北京是中国第一个拥有地铁的城市，1 9 6 9 年1 0 月即建成了第一 条地铁，全长2 7 7 公里。继北京之后，天津、上海、广州等城市也建成地铁， 目前中国人口超过百万的3 4 个城市中，已有2 0 个大城市正在建设和筹建自己的 轨道交通线路【2 1 。而且，“十一五 期间，我国已计划进一步扩大地铁建设规模。 仅上海一地，至2 0 1 0 年，轨道交通就将增加到11 条线路，形成4 0 0 公里以上的 运营网络。而北京更是可望于2 0 2 0 年地铁线路总长达到5 6 1 5 公里，超越纽约 成为世界上地铁线路最长的城市【2 】【3 1 。 目前，随着国内外地铁交通行业的发展，国内的建设和运营管理体制还不健 上海大学硕士学位论文 全，地铁交通行业的法制建设、技术控制、标准化体系尚未形成。尤其是我国地 铁发展历史较短，技术还不成熟，从当前我国城市发展轨道交通的现状来看，迫 切需要技术设备国产化。 1 2 课题研究的对象和意义 本文研究的对象是轨道交通自动检票系统中的闸机控制系统，闸机是控制乘 客进出的“看门人，在整个自动售检票系统中起着举足轻重的作用。下面首先 介绍自动售检票系统。 1 2 1 自动售检票系统的闸机控制 自动售检票系统【4 l 是由计算机集中控制的自动售票、自动检票以及自动收费 的封闭式自动化系统。该系统集计算机技术、机电一体化技术和模式识别技术等 多种高新技术于一体，实现售检票全过程的自动化，是一个大型的综合自动化系 统，由三层结构组成：中央计算机、车站计算机( 包括车站网络控制器和车站操 作台) 、车站设备( 包括售票机，进出口检票机，分拣机) 。其中进出口检票机也 被称为进出口闸机。图1 1 所示是自动售检票系统结构框图。 图1 1 自动售检票系统结构 框图 中央计算机工作站是自动售检票系统的顶层，中央计算机通过专用通道，把 系统相关的信息送达到处于控制系统第二层的各车站网络控制器和车站计算机， 以完成对车站计算机的联络、监视、控制和数据采集。中央计算机系统是自动售 2 上海大学硕士学位论文 检票系统运行在控制中心的计算机网络管理系统，负责整个自动售检票系统的运 营和协调、数据交换和集中备份等重要工作。 车站计算机系统是自动售检票系统运行在各个车站的计算机网络管理系统， 主要用于监控和管理车站的运营情况，同时与中央计算机进行网络通信和数据交 换。主要完成系统维护、票务管理、通信管理和设备管理等功能。 自动售检票系统的终端设备是自动售检票系统直接面向乘客和地铁工作人 员的部分。主要包括自动售票机、进出口检票机和分拣机等，其中进出口检票机 也叫闸机，是负责乘客进出的“看门人 ，也是笔者的课题研究对象。 闸机控制系统是轨道交通自动售检票系统重要组成部分。地铁站检票口通常 被放置多台闸机，构成闸机组，形成多个出、入通道，将车站分为付费区和非付 费区。付费区需要乘客购票才能进入，乘客只有进入付费区才可以乘坐地铁。非 付费区是乘客不用购票也可以进入的区域。闸机就是用于控制乘客在付费区和非 付费区之间通行的自动化设备 5 】。自动检票闸机可为车站、码头、地铁等客流较 大的出入口提供自动剪票，是一个控制乘客出入的快速、简便、安全可靠的控制 设备。 1 2 2 闸机控制系统中的人体识别及现状 随着计算机技术、通信技术和自动化技术的发展，闸机控制系统的技术革新 也逐步加快，2 0 世纪9 0 年代新建或拟建的地铁都采用了先进的自动化技术用于 对地铁设备的智能控制，并且随着城市轨道交通的飞速发展，人们对地铁自动化 的需求日益强烈。目前地铁现代化的发展【6 】已成为城市交通现代化的重要标志之 一。而我国的地铁大部分都是引进国外的技术，维护和系统升级比较困难，尤其 自动售检票系统作为城市轨道交通综合自动化系统不可缺少的重要组成部分，它 的国产化意义重大。 而对于应用于闸机控制系统的人体识别技术的研究则主要是由与城市轨道 交通相关的一些生产商进行的。从2 0 世纪7 0 年代开始意大利g u n n e b o 、韩国 s u m s a n g 、美国m o t o r o l a 、日本信号等公司就开始研究适合于城市快速轨道交通 的闸机智能识别系统，并被世界上许多城市交通系统采用。我国则多是采用国外 的产品，从2 0 世纪9 0 年代开始，我国一些公司才开始对这方面技术进行研究， 3 上海大学硕士学位论文 像上海华铭终端设备有限公司，深圳现代计算机有限公司等，但由于起步较晚， 因此系统性能与国外同类产品差距较大。而且闸机控制系统的革新进程一直进展 缓慢，国内开发的也比较少，因此，有必要对其做进一步研究。尤其是启门式闸 机控制系统中，为了实现一卡对一人，避免逃票情况的发生，需要对通过闸机的 所有乘客做出正确、及时的判断和处理，即进行人体识别。虽然目前在有些城市 启门式闸机已经得到应用，但是它们普遍存在识别率不高，识别技术简单等问题， 无法满足现在城市轨道交通快速发展的要求。 目前国内外现有的闸机控制系统中的人体识别部分仅采用几个传感器，根据 几个传感器被遮挡的情况来进行判别，识别率不高。另外，各公司对闸机控制系 统中人体识别技术的研究都比较保守，没有形成相对开放的设计环境和完整的设 计体系。 本文针对目前闸机控制系统中存在的不足，根据人体特征合理设置传感器布 局和对采集数据进行推理判别，并加入嵌入式视频图像处理部分，保证了系统识 别的可靠性。 1 3 本文的工作 本文主要研究了自动检票系统中的闸机控制部分，首先对闸机控制系统的结 构、特点及通行方式进行了分析；然后结合闸机控制系统的要求对国内外人体识 别技术的背景和现状做了简要介绍：接着针对目前闸机控制系统中存在的问题提 出了本文的设计方案。 本文的主要工作有以下几个方面： 1 、传感器布局及电路设计 为实现利用有限的传感器数量进行比较有效的人体检测，本文依据人体各部 分的特征，对传感器布局进行了科学设置。根据人体的结构和尺寸数据，及人体 正常行走时的姿态，合理设计传感器的放置位置，使其可以比较全面地反映人体 关键特征，为正确进行人体识别提供可靠数据。 2 、人体识别算法设计 为了准确、及时地对通过闸机的乘客作出判断，本文对人体识别的算法进行 了深入研究。文章首先按照乘客及乘客通行方式对通过闸机的运动个体进行分 4 上海大学硕士学位论文 类，然后针对每种分类反复采集数据，在大量实验数据分析的基础上，总结每种 乘客类型通过闸机时的典型特征，最后再结合人的经验和实际需要设计判别规 则，实现了较为快速可靠的人体识别。 3 、视频图像处理 。 为了弥补有限传感器检测的不全面性，本文加入了基于视频的人体识别部 分。设计了嵌入式图像处理的硬件电路和图像处理的算法。为满足系统实时性要 求，文章突破了常规的图像识别方法，充分利用嵌入式系统方便、快速的特性， 采用简单快速的图像提取和特征分析方法，满足了系统实时性的要求，并取得了 较好的处理效果。 最后在实验检验阶段，本文设计了较为直观的反映传感器数据变化和判别结 果的计算机显示软件。通过此软件可以直接从计算机串口将传感器数据实时地显 示在计算机上。并且通过算法处理后得出判别结果，可以直观地和现实情况作对 比，明显提高了检验效率。另外，文章还对视频图像处理部分使用m a t l a b 工 具进行了模拟验证，取得了比较理想的判别效果。 1 4 本文的结构安排 针对地铁自动检票中闸机控制系统存在的问题，本文提出了解决方案，并对 其实现作了详细描述。具体安排如下： 第一章介绍了课题研究的背景，闸机控制系统及闸机控制系统中人体识别技 术的现状，分析了对其进行研究的必要性，最后介绍了本文的主要工作。 第二章介绍了闸机控制系统及现有几种人体识别技术，并对闸机控制系中人 体识别技术的特殊要求进行分析。 第三章在对人体结构特征分析的基础上介绍了传感器的布局设计及传感器 数据采集装置，并对采集的数据进行了分析，最后根据对采集数据的分析设计了 人体识别算法。 第四章重点分析了人体识别算法的实现过程，包括硬件的实现和软件的设计 实现。 第五章描述了嵌入式图像处理部分的设计、视频图像处理算法的实现过程和 计算机仿真。 第六章对本文的设计及实现做了总结，并指出有待改进之处，提出展望。 5 上海大学硕士学位论文 本章小结 本章介绍了地铁及其自动售检票系统的发展、应用，在对自动售检票系统分 析的基础上，介绍了课题研究对象自动售检票系统的闸机控制。同时根据目 前闸机控制系统中人体识别现状，讨论了闸机控制系统人体识别技术研究的意义 以及研究的核心问题。本章最后说明了课题的主要工作任务，并给出了全文的组 织结构。 6 上海太学顽士学位论文 2 1 闸机的类型 第二章闸机控制系统 闸机是轨道交通自动售检票系统中的关键设备之一，它的最基本的功能就是 检查乘客的车票，当乘客进入轨道交通的车站时，乘客首先购买车票或持有公交 卡，然后放置在入口的闸机对乘客的车票进行检票处理，或通过读卡器对公交 卡进行处理，乘客必须持有效票卡才能进站。因此，闸机不仅是轨道交通自动售 检票系统的检票设备，而且它构成了轨道交通中车站的出入口通道。闸机利用其 内部的智能识别系统对乘客的行为进行识别，从而实现自动检票。它可以实现自 动检票、按乘车距离计费、最大限度阻止乘客逃票等功能。闸机按照不同的分类 标准，有不同的分类方法，常见的有以下几种： 根据阻挡方式闸机可分为启门式和杆式f 7 】，目前大多数地铁站都是采用三杆 式的，因为三杆式可以有效避免多人同时进出的问题。但也有不少缺点，一个是 对于携带物品的乘客出入很不方便还有就是当地铁发生紧急情况时乘客疏散不 方便。因此，现在新建地铁系统中更倾向于使用启门式的闸机。其中，启门式闸 机又有向两侧方向开闭的拍打门式闸机和向内外方向伸缩的剪刀门式闸机，图 2 1 右侧显示的就是剪刀门式闸机的外型。因为启门式闸机在闸门开启时不受任 何阻挡，为乘客提供了通行方便而同时也带来了对进出乘客有效控制的麻烦， 为保证一张票卡只能通过一人，就必须加入一个人体检测环节，以避免出现一卡 多人进入的跟随进入现象的发生，保证闸机实时有效控制。 嘶矧 图2 - 1 三杆式和启门式闸机 根据使用车票的类型- 闸机又被分为塑制磁卡型、纸制磁票型和非接触式i c 卡类型【”。其中，塑制磁卡技术成熟、成本低、可循环使用，但记录的信息容易 上海大学硕士学位论文 被破译、仿造，安全性较低，可适用于单程票和储值票；纸制磁票成本低，技术 成熟，但安全性低，不可循环使用，需要回收处理，仅适用于单程票；非接触式 i c 卡采用集成芯片，信息记录量大，安全性好，抗干扰能力强，读写设备简单， 系统可靠性高，易与其他系统相联，实现一卡多用，是目前比较常见的票卡类型。 本文讨论的闸机使用的车票主要是针对非接触式i c 卡。 2 2 闸机的工作模式 在城市轨道交通系统的车站，出入口通常放置有多台闸机，构成闸机组，形 成多个出入口通道。闸机组由具有不同工作方式的闸机组成，从而使闸机形成三 种不同的通道：入口通道、出口通道和双向通道。如图2 2 所示： 1 、单向左通道允许，右通道禁止 左侧允许刷卡通行，右侧禁止。若乘客试图从右侧进入则报警。 2 、单向右通道允许，左通道禁止 右侧允许刷卡通行，左侧禁止。若乘客试图从左侧进入则报警。 3 、双向通道 左右两侧均允许乘客刷卡，但同时只能一个方向通行。哪侧先刷卡便将该侧 设为通行状态，同时另一侧设为禁止通行状态。当通道内无人时，重新将两侧设 为允许状态。 4 、紧急通行 当发生意外事故，需要紧急疏散乘客时，两侧设为自由通行状态。 右 叮 左 收费区 非收费区 左侧通行右侧禁止 8 右 面 左 收费区 非收费区 右侧通行左侧禁止 上海大学硕士学位论文 收费区 非收费区 双向通行 收费区 非收费区 紧急通行 图2 - 2 闸机工作模式类型图 2 3 闸机控制系统的结构 2 3 1 闸机的构成 一般一台闸机在物理上主要由闸机外壳、闸门机构、显示灯、读卡器、蜂鸣 器、控制模块和若干传感器等部件组成【9 1 。其中，传感器用来检测通道内乘客的 通行情况，是闸机人体识别系统的一部分。控制部分被放在闸机内部，负责对传 感器信号采集、分析、判别和发出控制指令，是系统的核心部分，它决定闸门的 开启和关闭。 闸机外壳主要起保护内部线路的作用，一般由不锈钢材料制成，尺寸一般为 1 8 0 0 ( 长) * 2 8 0 ( 宽) * 1 0 0 0 ( 高) i l l l r l 。闸机外壳的设计一般遵循美观大方、易 于乘客通行等原则，同时考虑传感器和控制模块的放置安装以及系统维护时方便 打开等设计准则。 闸门机构对于不同的闸机组成也不尽相同。对于三杆式闸机，闸门有可旋转 的三杆门组成：对于剪刀门式闸机，闸门由两个扇形的滑动门组成，两个扇形门 分别位于组成一个通道的两个闸机中部。闸门关闭时，两个扇形门隐藏到闸机内 部，通道被开放。闸门由安装在闸机内部的电动马达驱动，控制模块通过控制电 动马达实现对闸机的开启和关闭。为了防止乘客夹到腿，扇形门一般采用高强度 的聚亚氨脂合成材料，边缘采用柔软材料。既可以保证门的坚固性，又防止夹伤 乘客或夹坏乘客携带的物品。此外，在闸门的两侧设置有传感器，负责检测是否 有乘客或乘客携带的物品位于闸门之间。当检测到有乘客或物品在闸门之间时， 9 上海大学硕士学位论文 闸门不会关闭，从而最大限度的保护了乘客。 显示灯是用来显示闸机状态禁止或允许通行的部分，其显示内容符合国 际标准，一般的红色圆圈里面一个叉号表示禁止通行，绿色箭头表示允许通行， 而且表示乘客可以在本闸机刷卡。当系统发生紧急状态时全部显示绿灯，乘客可 以自由通行。 读卡器负责对非接触式i c 卡和储值卡进行读写，确定卡票是否有效，以便 通知控制部分对闸机进行通行或禁止控制。非接触式i c 卡将集成电路芯片和天 线线圈共同嵌入到塑料基片上，读卡器内设置有感应天线的控制电路，该电路向 外发射高频电磁波，提供给非接触式i c 卡工作需要的能量，而且电磁波还携带 必要的信息，对i c 卡内的信息进行更新。 蜂鸣器用来以声音提示系统异常，如有乘客企图逃票时发出警告。蜂鸣器由 闸机控制模块控制，当控制模块检测到异常时就会通知蜂鸣器工作，蜂鸣器会根 据预先设定的声音提示乘客或报警。 传感器是人体识别系统的一部分，传感器用来采集数据，然后交由控制模块 进行处理判别，最后由控制模块根据判别结果决定执行动作。 2 3 2 闸机控制系统结构 闸机控制系统是有许多模块组合在一起协同工作完成系统任务的。按照系统 完成的功能划分为以下各个部分：人体检测与识别部分、闸门控制部分、报警及 信息提示部分和系统通讯部分。 人体检测与识别部分： 人体检测与识别部分主要包括传感器数据采集功能、数据处理功能、人体识 别功能等。 闸门控制部分： 闸机控制部分负责根据检测与识别的结果来控制闸门的开启或关闭、闸门开 启和关闭的时刻和速度、以及考虑如何控制闸门的动作以避免闸门夹伤人。 报警及信息显示部分： 报警及信息提示部分包括检测传感器、闸门控制电机等硬件设备的状态是否 正常，如果出现异常则发出声光报警；系统正常工作过程中如果检测到有人逃票 l o 上海大学硕士学位论文 或有人企图强行进入也发出声光报警提示工作人员处理。此外，信息显示部分还 包含闸机状态显示等内容 系统通讯部分： 系统通讯包含闸机与上位机的通讯和闸机控制系统与执行机构的通讯等。负 责接收主控机传来的有效票卡数量的信号和发送系统出错信息以及向传送机构 发送控制命令等。 图2 - 3 系统功能模块图 2 4 闸机控制系统中人体识别现有技术及不足 2 4 1 衡量人体识别系统的主要标准 闸机控制系统中人体识别技术是识别乘客状态、决定是否允许乘客进入的前 提，是系统正常运行的关键。衡量人体识别技术的主要标准主要是看是否能满足 系统需要，以及是否具有可行性。 首先从速度方面考虑。在轨道交通闸机控制系统中，要对通过闸机的乘客进 行识别，主要检测通过闸机的人，区分通过的乘客数量。为满足乘客比较顺畅地 通过，需要控制系统能够及时地做出决策，并通知执行机构做出相应的动作。随 着客流量和交通压力的增加，对闸机处理速度的要求越来越高，按照正常人行走 的速度通过闸机的时间在1 s 左右，除去系统通讯和闸机开启或闭合的时间，要 求人体检测与识别部分所化费的时间小于3 0 0 m s 。因此，判别速度是人体识别的 上海大学硕士学位论文 关键。 另外，从识别准确性方面考虑。由于闸机是控制交费乘客进入车站、阻止未 购票乘客进入车站的保证，闸机根据人体识别的结果开启或关闭闸门。因此，人 体识别的准确性也是衡量人体识别系统的主要标准。 最后从成本方面考虑。每一种技术的应用都涉及到应用该技术所需要的成 本，包括其开发成本、设备成本、以及维护成本等等。在满足系统要求的前提下 应尽量减少成本。 2 4 2 现有识别方法及其不足 见于目前闸机系统人体识别的研究还都是一些商业运营的公司根据自身的 需要进行研究，而且，研究成果还都被列为商业机密，因此，目前有关人体识别 研究的文献比较少。 国外论文中看到通过光电传感器进行检测的方法【l o 】，基本思想是在整个通 道中布满对射式光电传感器，由于传感器之间的距离足够小，因此，对物体的任 何移动和变化都可以检测到，通过对众多传感器数据的分析，捕捉人与人或人与 物体通过时的间隙来判别是两个人或人携带物体通过。如图2 - 4 所示： 口弋厂d 弋孵恸 o ooo 詹孽骖 ooo 謦步。擘謦# 一 o o ooo f 孽蝌孽 o o o oo j 謦野艚 oooo 秽秘，譬静 图2 4 满通道传感器人体识别 但是，该方法在通道中布满光电传感器所需传感器数量太大，而且也不易检 测。无论从成本考虑还是从实际运用的角度都难以实现。 国内有利用步态识别设置传感器布局的人体识别方法【9 】，该方法利用事件 识别和人体轮廓识别技术对通过闸机通道的人或物进行识别。它提出一种基于事 件识别的方法，任何物体的运动都是由动作、行为和事件组成，动作是某时刻的 物体活动，行为是某时间段内具有相同特征的动作集合，而事件是一个特殊的动 作，是相临两个行为的临界点。把物体的运动过程用所有动作组成的动作序列描 述，当运动个体经过通道时，根据形成的动作序列进一步定义行为和事件，通过 1 2 上海大学硕士学位论文 判断事件序列中通行事件来判别运动个体的行为。然后，该文运用图像处理中 人体轮廓识别技术对通过闸机的人或物进行识别。 但文章并没有解决图像处理给系统带来的识别速度下降问题，而且文中图像 处理的算法不能十分有效地区分轮廓相似的人和物体。 笔者在总结现有闸机人体识别技术的基础了，提出了一种基于人体结构特征 的人体识别技术和基于快速图像处理的视频识别技术。 本章小结 本章对课题研究的对象闸机控制系统，作了较全面的分析介绍，包括闸 机的类型，闸机的工作模式，闸机的结构，并对闸机控制系统中关键的人体识别 技术作了分析，指出了现有闸机控制系统中人体识别技术的不足。 上海大学硕士学位论文 第三章基于人体结构特征的人体识别 3 1 一般人体结构的特征尺寸 本文采用基于人体结构的特征设计传感器的布局，从而达到人体识别的目 的，因此需要对人体结构特征进行分析。尽管人的身体尺寸会因国家、地区、种 族、年龄、性别等不同而有差异，但一般正常成年人体各部分尺寸之间存在一定 的比例关系，因而按正常人体结构关系，以站立平均身高为基数来推算各部分的 结构尺寸，是比较符合实际情况的。 首先，从人体立体模型角度观察人体结构。由各种解剖学知识得到人体各部 分的长度数据如表3 1 1 1 】： 表3 1 人体各部分占人体比例 部位相对于身高的比例 骨 盆 臀 上 身 上 臂 下臂 大腿 小腿 脚中部 脚趾部 踝关节一中脚趾部 脚跟 脚底一踝关节间 0 1 0 0 5 9 o 1 4 0 4 7 0 2 0 6 o 2 2 0 2 3 6 6 9 0 2 4 5 5 6 0 0 8 5 8 0 0 4 7 3 4 0 0 2 3 6 7 0 0 2 9 5 9 0 0 3 8 4 6 另外，从人体平面模型观察人体结构。人体结构各部分比例长度的测定，一 般是以头部为衡量标准，站立时全身长度为七个半 1 2 1 。如图3 1 ： 1 4 上海大学硕士学位论文 图3 1 人体平面结构比例图 ( 1 ) 上体约3 个头，包括颈部o 5 ，肩至腰1 5 ，腰至髋1 0 。( 从举椎的头部颏 下点水平处到坐骨末端的水平面) 。 ( 2 ) 肩宽约2 个头( 两侧肩部肩胛骨上的肩峰之间的宽度) 。 ( 3 ) 上臂约1 5 个头( 肩峰到肱骨内上髁和外上髁连线的中点) 。 ( 4 ) 前臂约1 个头( 从尺骨鹰嘴突到尺骨小头和桡骨基突的连线中点) 。 ( 5 ) 髋宽约1 5 个头( 女子稍宽一点) ，两侧股骨头转子之间的宽度。 ( 6 ) 大腿约两个头( 从股骨的大转子到股骨的最下端) 。 ( 7 ) 小腿约1 5 个头( 从胫骨的最上端到胫骨内踝的水平面外) 。 ( 8 ) 手约0 8 个头( 从腕骨的上缘到中指的末端) 。 ( 9 ) 脚约1 个头( 从脚跟的最后端到第二脚趾的最前端) 。 ( 1 0 ) 两膝外侧连线约1 个头宽。 为保证数据的科学性，准确性，以上数据是在被测者不穿鞋，裸体或少着衣 的情况下测得的。而应用是为正常穿衣，穿鞋的用户使用的，因此应对国标中尺 寸数据加以修正，即在原数据基础上加上鞋跟高度以及裤子厚度之后所得的数据 才能作为设计依据。此外，不同的季节人们着装的厚度不同，因此其修正值也应 有所不同。表3 2 列出了由不同薄厚的衣服引起的不同尺寸项目的修正值：【1 3 】 1 5 上海大学硕士学位论文 表3 - 2 由衣服导致的尺寸修正 n h n 3 2 传感器的布局 3 2 1 传感器布局设计 根据对人体结构的分析，人体的各部分比例都与身高密切相关，因此，要实 现传感器的合理布局、对人体进行检测就要把身高作为一个关键点。因为闸机控 制系统只对身高1 2 0 c m 以上的乘客收费，所以，只需要对身高1 2 0 e r a 以上的人 体各部分数据进行计算。 首先，选取人体结构特征的关键点进行数据分析。根据人类经验常识及上文 人体结构数据，笔者选取人体膝部、髋部、腰部和肩部作为关键点。根据人体各 部分占身高的比例和鞋子及衣着的修正值计算不同身高人体关键点部位距离地 面的高度，见表3 3 。 要确定传感器的布局，首先要考虑传感器的布局范围，考虑到闸机的尺寸因 素，高度一般在l 米左右，以华铭智能终端设备有限公司生产的剪式门自动检票 机为例，检票机的尺寸为2 0 0 0 ( 长) * 2 8 0 ( 宽) * 1 0 0 0 ( 高) i l l m ，因此，传感 器的设置高度在1 0 0 0 m m 以内。因为一般闸机的闸门在闸机的中间位置，因此， 传感器布局宽度范围应该在闸机长度一半范围内，即1 0 0 0 m m 范围。考虑传感器 放置在闸机内侧，所以，实际放置范围应该更小一些。由于中国青年男性的步长 约为5 5 0 - - 7 7 5 m m ，女性约为5 0 0 - - - 7 0 0 m m t l 4 】，因此，确定传感器的分布宽度为 8 0 0 m m 范围即可满足需要。根据以上分析可以确定传感器布局的范围为宽 8 0 0 m m ，高1 0 0 0 m m 的矩形区域。 1 6 上海大学硕士学位论文 表3 3 人体关键部位距离地面高度数据 身高( c m )膝部( c m ) 髋部( c m )腰部( c m )肩部( c m ) 1 2 02 5 75 1 46 8 69 4 3 1 3 02 7 85 5 77 4 31 1 1 4 1 4 03 06 08 01 2 0 1 5 03 2 16 4 38 5 7 1 6 03 4 36 8 69 1 4 1 7 03 6 47 2 89 7 1 1 8 0 3 8 67 7 11 0 2 8 1 9 04 0 78 1 41 0 8 6 对于传感器位置的确定，通过对人通过闸门时的习惯动作进行观察，通常人 在读卡器前刷卡时停顿一下，然后离开。大部分人在未到闸门时就伸手刷卡，也 有些人在走进闸门时才去刷卡，结合系统实时性的要求，初步确定将闸机入口传 感器s l 放在读卡器下端左侧的位置，以便可以第一时间检测到人体进入。但这 样可能会出现由于乘客刷卡迟一些而产生报警的现象，为避免此类现象的发生， 在设计人体识别算法时对发出报警信号的条件加入时间限制，这样既为人体识别 赢得时间，又不会产生误报警的情况。 而检测乘客进入与否靠一个传感器不能判断方向，因此，在与s 。传感器同 一水平线上放置了另一个传感器s 2 ，考虑传感器检测的精度限制，s l 与s 2 之间 的距离设置为1 0 0 m m 。而距离地面高度的确定，根据表3 2 人体关键部位距离 地面高度数据可以看到，1 2 0 0 m m 身高的人肩部的高度大约为9 4 3 m m ，身高 1 9 0 0 m m 的人的髋部高度为8 1 4 m m ，因此，比较合理的高度位置应该在 8 1 4 - - 9 4 2 m m 之间，笔者选择了8 2 0 m m 高度作为入口检测传感器的放置位置。 通道内部的检测，根据人体前后“厚度 ，加入衣服的因素，至少有2 5 0 m m ， 所以传感器之间的间距应在2 5 0 m m 范围内，以确保人行走过程中传感器都能够 检测到。这样在通道的7 0 0 m m 范围内应该至少布置三个传感器。考虑到要借助 s l 和s 2 传感器检测人携带的物品，s 3 传感器的位置确定在通道最上端距离地面 9 5 0 m m 位置，横坐标为水平方向距离s 2 约2 0 0 r a m 处。s 4 和s 5 依次排列，间距 1 7 上海大学硕士学位论文 为1 5 0 m m 。 为保护乘客，特意在闸门两侧分别设置了保护传感器，防止乘客或乘客携带 的物体被闸门夹到。 另外，为了可以检测乘客携带的物品，包括提包和行李箱等，与两个人跟随 通行加以区别，笔者设计了辅助检测传感器s 6 、s 7 和s 8 ，根据人行走和携带物 品的习惯，物品一般不会在髋部下端附近，所以，为使得辅助检测传感器能检测 到髋部下端位置，根据人体结构数据和修正数据分析，身高1 2 0 0 m m 身高的乘客 髋部位置大约在5 1 4 m m 高度的位置，所以辅助检测传感器应该在距离地面 5 1 4 m m 以上，为了扩大上下的检测范围，设置为5 5 0 m m ，s 6 放置在s l 和s 2 之 间的中心线上。同时，s 7 和s 8 放在s 6 的同一水平线位置上放置s 7 和s 8 ，s 7 与 s 6 距离分别为1 5 0 m m ，s 8 与s 7 距离为2 5 0 m m 以扩大检测范围，和避免一个人 同时遮挡。 具体传感器布局如图3 2 所示，传感器将闸机通道分为以下几个区域： 入口检测区：s l 、s 2 、s 6 通道检测区：s 3 、s 4 、s 5 、s 7 和s 8 闸门保护区：g s l 和g s 3 双通道闸机右测传感器放置与左侧成对称性放置。 1 8 3 2 2 合理性分析 图3 - 2 传感器布局方案 设置好传感器布局以后，笔者首先选取身高不同范围的人根据人体的结构尺 寸对布局的合理性进行了验证： l 、身高1 2 0 - - , 1 4 0 e r a ，以1 3 0 e r a 为例： 传感器s l 、s 2 、s 3 、s 4 、s 5 可检测到腰部至肩部部分 传感器s 6 、s 7 、s 8 可检测到髋部至腰部部分 2 、身高1 4 0 - - 1 6 0 e m ，以1 5 0 e r a 为例： 传感器s l 、s 2 可检测到腰部附近 1 9 上海大学硕士学位论文 传感器s 3 、s 4 、s 5 可检测到腰部以上肩部以下 传感器s 6 、s 7 、s 8 可检测髋部附近 3 、身高1 6 0 1 8 0 e m ，以1 7 0 e r a 为例： 传感器s l 、s 2 可检测髋部到腰部 传感器s 3 、