（计算机应用技术专业论文）储备粮智能监管与稽核系统关键技术研究.pdf

中文摘要储备粮实物监管与稽核是我国储备粮管理的核心，但由于实物监管与稽核体系的缺陷，以及监管与稽核的客观困难，使得虚库、虚报补贴、以差换好、偷盗等各类违规、违法事件层出不穷，给国家造成巨大经济损失，削弱了国家宏观调控和社会稳定。本文以省级储备粮监管与稽核为背景，通过粮食实物监管、稽核问题与体系分析，总结了导致弊端的原因和机理，针对体制、机制瑕疵，以及监管和稽核工具的严重落后，以填补监管空白和落实实物稽核思路，提出了以计量工具创新和i t 技术应用为基础的智能监测、全程监管、智能稽核、证据留底、据实补贴的全新监管和稽核理念，以及完善监管与稽核体系的对策方案。针对自动监管与稽核的三大技术核心：重量自动测量、远程视频监管及码流管理，进行了技术实现方案的分析与论证。在重量自动测量方面，通过称重计量法、主动测量法、基于图像识别技术的方法三类技术的分析、比较，确定了以单目视觉识别为核心的技术实现路径。重点研究了不同场景的数量识别方法，采用色调结合梯度阈值的二维分割方法有效的解决了边界的确定与闭合问题，再将所分割边界用傅立叶描述子表述，通过其傅立叶描述子和色调参数与先验知识多维特征函数的比对实现对象体的精确分割与高可靠判别，有效解决了散装粮场景和袋装粮场景的粮食数量识别问题。进而结合移动侦测等技术，采用自动布防和首尾帧判别方法，解决了码流动态性判别、批次判别等问题；在远程视频监管方= 面：，对r d p d p 通信机制进行改造，采用无差错检测和码流传送参数回调的方法确定码流段的传输方式与重传机制，确保码流段的完整送达；在码流数据库存储与管理方面，通过识别和提取码流段报警类型、端口地址、时间、变化类型等特征，建立码流段特征与码流段的唯一映射关系，以两级数据库模式实现码流数据的存储与管理，大大提高了码流管理使用的安全性和方便性。最后，设计并开发了基于视频的储备粮智能动态监管稽核系统。系统由视频监控平台系统、视频图像码流数据库管理系统、视频图像动态识别系统、识别数据管理系统、智能监测与报警系统五部分构成。该系统采用单目图像动态识别技术，以实物数量智能检测为核心，实现了粮食实物数量的远程全自动监管和稽核，以及相关证据保留与管理，实物数量计量误差小于3 ，满足管理要求，使用方便、可靠，系统实现成本较低。关键词：图像识别；单目识别；视频监管；移动侦测；码流通信；码流数据库a b s t r a c tt h es u p e r v i s i o na n da u d i ta r et h ec o r eo fo u rc o u n t r y sg r a i nr e s e r v em a n a g e m e n t ，b u tb e c a u s eo ft h ed r a w b a c k so fo u rg r a i nr e s e r v e ss u p e r v i s i o na n da u d i ts y s t e m ，w h i c hl e dt om a n yi l l e g a la f f a i r s ，s u c ha se m p t ys t o r a g e ，f a l s e l yr e p o r t i n gf o rm o r es u b s i d y , c h a n g i n gt h eg o o db yt h ei n f e r i o ra n ds oo n ，p i l i n gu po n ea f t e ra n o t h e r t h e s ei r r e g u l a r i t i e sr e s u l ti nh u g ee c o n o m yl o s sf o ro u rn a t i o n , w h i c hi n f l u e n c eo u rn a t i o n a lm a c r o s c o p i c a l l ya d j u s t m e n ta n ds o c i e t ys t a b i l i t y t h i st e x tt a k e st h ep r o v i n c i a lg r a i nr e s e r v e ss u p e r v i s i o na n da u d i tf o rb a c k g r o u n d i ts u m su pt h er e a s o n sa n dm e c h a n i s mw h i c hl e dt ot h e s ei r r e g u l a r i t i e s ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h es y s t e mo fo u rg r a i nr e s e r v es u p e r v i s i o na n da u d i t i na l l u s i o nt ot h ef l a wo ft h em a n a g e m e n tm e c h a n i s ma n dt h es e r i o u s l yu n d e v e l o p i n go ft h ea u d i tt o o l s ，w ep u tf o r w a r dan e wp r i n c i p l ef o rs u p e r v i s i o na n da u d i t ，i n c l u d i n gt h ei n t e l l i g e n td e t e c t i o n , t h ew h o l ed i s t a n c es u p e r v i s i o n , i n t e l l i g e n ta u d i t ，e v i d e n c es u b s i s t e n c ea n ds u b s i d i z i n ga c t u a l l y , b a s e do nt h ei n n o v a t i o no fc a l c u l a t i n gt o o l sa n dt h ei tt e c h n i q u ea p p l i c a t i o n s w ea l s op u tf o r w a r dac o u n t e r m e a s u r et op e r f e c tt h es u p e r v i s i o na n da u d i ts y s t e m ，i no r d e rt of i l lu pt h eb l a n ko fs u p e r v i s i o na n dc a r r yo u tt h ea u d i ti d e a t ot h et h r e eg r e a t e s tt e c h n i q u e so ft h es u p e r v i s i o na n da u d i t o r , t h ea u t ow e i g h i n gm e a s u r e s ，t h el o n gr a n g ev i d e of r e q u e n ts u p e r v i s i o na n dp r o o fm a n a g e m e n t ，w ec a r r yo nt h ea n a l y s i sa n dd e m o n s t r a t i o no fi t st e c h n i c a li m p l e m e n t a t i o n i nt h ea s p e c to fa u t ow e i g h i n gm e a s u r e ，m a k ec e r t a i no ft h ew a yo ft e c h n i c a li m p l e m e n t a t i o nb a s e do nm o n o c u l a rv i s i o n , b yc o m p a r eo ft h r e et e c h n i c a lm e t h o d ，w e i g h i n gc o m p u t a t i o nm e t h o d ，a c t i v ed i a g r a p hm e t h o da n dt h em e t h o db a s e do ni m a g er e c o g n i t i o n t h ep o i n ts t u d i e st h eq u a n t i t yi d e n t i f i e sm e t h o di nd i f f e r e n ts c e n e ，a d o p t i n gt h et w od i m e n s i o n a ls e g m e n tm e t h o dc o m b i n eh u ew i t ht h r e s h o l dv a l u et oe f f e c t i v e l ys o l v et h ep r o b l e mo fb o u n d a r yc o n f m n i n ga n db o u n d a r ys h u t t i n g t h e ne x p r e s st h eb o u n d a r yb yf o u r i e rd e s c r i p t o r s t h r o u g ht h ec o m p a r i s o nb e t w e e nb o u n d a r yf o u r i e rd e s c r i p t o r sa n dh u ei n f o r m a t i o nw i t ht h en d i m e n s i o n a le i g e n f u n c t i o np r i o r ik n o w l e d g e ，t h ea c c u r a t e l ys e g m e n ta n dh i g hr e l i a b l yr e c o g n i t i o nw e r ec o m et r u e ，e f f e c t i v e l ys o l v i n gt h eg r a i nq u a n t i t y sm e a s u r e f u r t h e r m o r e ，w ec o m b i n ei tw i t hm o t i o nd e t e c t i o nt os o l v et h ep r o b l e mo ft h ed i s t i n c t i o no fb i ts t r e a m sd y n a m i ca n db a t c hi d e n t i t i f i c a t i o n i nt h ea s p e c to fl o n gr a n g ev i d e of r e q u e n ts u p e r v i s i o n , w ei m p r o v eo nt h er d p d pp r o t o c o l ，a d o p t i n gt h em e t h o do fc h a n n e lb a n d w i d t hd e t e c t i o na n dc a l l b a c ko fb i ts t r e a m sp a r a m e t e rt oc o n f i r mt h ew a yo fb i ts t r e a m s t r a n s f e r , a n dm e c h a n i s mo fr e t r a n s m i s s i o n ，i no r d e rf o rt h ee n t i r ei n t e g r a l l t ya r r i v e i nt h ea s p e c to fb i ts t e a m s sr e s e r v ew i t hd a t a b a s e ，w ec o m b i n et h ew a yo fj u s tr e s e r v et h ep i v o t a lb i ts t r e a m sw i t ht h ew a yo fc o n s t r i n g e n ts e r v e r , s a v i n g9 9 s p a c e i tb u i l tt h eu n i q u em a p p e db e t w e e nb i ts t e a mc h a r a c t e rw i t has e c t i o no fb i ts t r e a m ，s oa st om a k et h es e r v e ra n dm a n a g e m e n to fb i ts t r e a md a t ac o m et r e e ，t h r o u g ht h ed a t a b a s em a n a g e m e n to fb i ts t r e a ms e c t i o n sc h a r a c t e r t h em a n a g e m e n to fb i ts t e a ma r em o r es a f e l ya n dc o n v e n i e n c e f i n a l l y , t h i sp a p e rp r e s e n t sav i d e o b a s e d ，i n t e l l i g e n td y n a m i cr e s e r v e dg r a i ns u p e r v i s i o na n da u d i t i n gs y s t e ma b o u tt h er e s e r v e dg r a i n t h es y s t e mi sc o n s i s to ft h ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m sb yt h ep l a t f o r ms y s t e m ，v i d e oi m a g es 仃e a md a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m s ，d y n a m i cv i d e oi m a g er e c o g n i t i o ns y s t e m s ，i d e n t i f i c a t i o nd a t am a n a g e m e n ts y s t e m s ，i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n ga n da l a r ms y s t e m s t h es y s t e mu s e s as i n g l e - h e a dd y n a m i ci m a g er e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y ，a tt h ec o r eo ft h en u m b e ro fi n k i n di n t e l l i g e n c ed e t e c t e d ，a c h i e v e dan u m b e ro fl o n g r a n g ek i n do ff o o da u t o m a t i cm o n i t o r i n ga n da u d i t i n g ，a n dt h er e l e v a n te v i d e n c ea n dt or e t a i nm a n a g e m e n t t h ep h y s i c a lq u a n t i t ym e a s u r e m e n te r r o ri sl e s st h a n3p e r c e n t t h es y s t e m sm e e tr e g u l a t o r yr e q u i r e m e n t s i t se a s yt ou s e ，r e l i a b l ea n dl o w e rc o s t k e yw o r d s ：i m a g er e c o g n i t i o n , s i n g l e h e a di m a g er e c o g n i t i o n , v i d e os u p e r v i s i o ns y s t e m ，m o t i o nd e t e c t i o n , v i d e os t e a mc o m m u n i c a t i o n , v i d e os t r e a md a t a b a s e独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞苤堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的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。学位论文作者签名：叼鸹之穗签字日期：咖乡年r 月g日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解。墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权丞鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：弹落导师签名：肝歪磊签字日期：多切扩年r 月9 日签字+ 日期：砂一g 年j l 月艿e t天津大学博士学位论文储备粮智能监管与稽核系统关键技术研究1 1 选题背景和研究思路第一章绪论储备粮制度是我国的基本国策，承担着储备重要的战略物资粮食，并调节市场的重任，是保障国家稳定的重要基础。储备粮实物监管与稽核是该制度的重要组成部分，其功能为对储备在仓库中的粮食实物进行监管和数量核定，是保障国家利益和粮食安全的关键，也是储备粮管理的重点和难点。就世界范围来看，储备粮实物监管与稽核由于基本采用称重计量方式，加之实物存放地点的分散性，使得实物监管与稽核的工作量十分巨大，远远超出监管与稽核管理部门的实际能力，导致各类监管与稽核实效问题层出不穷。迄今为止，尚无哪个国家从根本上解决了储备粮实物监管与稽核问题r 】，都是在管理成本与无奈的管理效果之间达成一种妥协，该妥的背后就是巨额的财政损失。目前，我国粮食储备约3 0 0 0 亿斤，年粮食储备补贴约7 0 0 亿元，采取国家、地方两级储备的制度，以直储和代储的方式储备在全国各地的粮仓中。粮仓嫡属某粮食公司，粮食的进出库、保管均由有关粮食公司具体操作，由于储备粮数量庞大，涉及巨大经济利益，使得虚库、虚报贴息、以差换好、偷盗等各类违规、违法事件层出不穷，给国家造成巨大经济损失，更严重的是削弱了国家宏观调控和社会稳定。今年两代会期间，袁隆平院士指出，某些粮库是空库，引起国家领导和社会各界高度关注就是一起典型案例。事实上，就我们调查了解的情况看，空库事件只是露出了冰山一角，虚库达到空库的程度并不多见，更多的是部分虚库、虚报贴息、以差换好、偷盗等现象。这些问题更隐蔽、更普遍，只要不对粮库公司清盘，这些问题很难被发现，甚至连清盘都难以发现，如虚报贴息、以差换好等问题，由此导致风险后移，形成更大的未来风险。可以说，储备粮亏空问题己到了很严重的地步，必须立即解决，而造成这些问题的重要原因之一就是粮食实物监管和稽核的不到位和缺位。粮食实物监管和稽核的不到位和缺位问题由来已久，久治不愈，其根源在于我们监管和稽核的体制、机制、制度和方法都存在问题【l 】【2 j ，甚至是严重问题，因此仅仅通过单纯技术或管理方面的方法、措施无法解决问题，必须有一个综合的总体解决方案方可奏效。在监管和稽核诸要素中，体制方面，由于储备粮收购、轮换等业务的经营性质，需要储备粮保管者具备经营能力，加上历史的原因，改变储备粮保管者的企业性质是不现实的，即体制问题难以根本解决；监管力量方面，受制于机关人员编制，监管力量难以大幅提高；监管需求方面，储备粮地域第一章绪论上的分散性和监管业务对监管力量的强度需求均是客观现实，不可能改变。在此情况下，储备粮实物管理的唯一出路就是：调整体制、机制，对等平衡责权利，落实责任，政企分家，理顺关系；严密监管制度，提高监管强度，堵塞监管漏洞。对于严密监管制度，提高监管强度，所大幅提高的监管需求，重点依靠管理手段创新，采用技术的手段来代替人工全过程监管和每笔稽核，用智能的方法进行远程监管和稽核，自动采集有关粮食进出库数量、时间、保管情况等关键数据及相关视频图像，自动监管、稽核、报警，并留存相关证据，用技术手段解决监管和稽核力量不足导致的监管和稽核不到位问题，同时也可以大幅降低监管和稽核成本。从技术实质上看，要实现粮食实物数量的远程自动监管和稽核，就要对粮仓中粮食变化过程的数量、时间进行自动测量和核对，以及对相关数据进行有效的管理。即重点要解决的三个问题：1 、粮食库存量和每批次进出库数量、起止时间的实时、智能识别；2 、视频图象码流的广域网高可靠性传输；3 、粮食数量及批次数据、相关视频码流等证据的留存。遗憾的是，由于储备粮管理体系比较封闭，且涉及国家安全和市场稳定，许多问题不为外界所知，故国内外研究报导甚少，少量的研究报道也大都侧重于体制、机制或制度某一方面的问题进行讨论，缺乏成体系的对策方案。尤其未能解决监管与稽核如何落到实处的问题，即如何解决监管与稽核的巨大需求与现实力量薄弱的矛盾这一关键问题。、综上所述，解决储备粮实物监管与稽核具有巨大的社会经济意义，而目前的研究仅局限于局部问题，缺乏整体性方案，尤其在采用现代化技术提高监管能力和效果方面严重不足，缺乏完整的对象体重量智能识别方法，有关数量动态检测、自动监管与稽核、高可靠通信与码流管理等技术的研究也远不能满足要求。据此，本文以提出完备的储备粮实物监管与稽核总体解决实现方案为目标，首先分析储备粮实物监管和稽核的体制、机制、制度和方法，总结其运行过程中发生虚库、虚报贴息等问题的原因和机理，针对体制、机制、制度瑕疵，以及监管和稽核工具的严重落后，采用智能化计量工具和远程视频监管工具，以大幅提高监管与稽核效率及效果，彻底解决监管与稽核力量严重不足问题。同时，本文提出的基于视频流的数量动态识别系统因其使用方便、成本低，在涉及体积或重量测量、监管的其他领域也有广阔的应用前景。1 2 国内外研究现状国内外有关粮食实物监管与稽核的研究主要有管理体系和技术工具两大领域，相关研究具体如下。2天津大学博士学位论文储备粮智能监管与稽核系统关键技术研究1 2 1 实物监管与稽核管理体系研究现状由于储备粮管理体系比较封闭，且涉及国家安全和市场稳定，许多问题不为外界所知，故国内外研究者甚少，公开发表的文献也不多。国内许多文件、文献都带有一定密级，故本节对涉密引用以”表示，不标注具体出处。我国粮食实物监管和稽核体系由中央和地方两级构成，中央级由国家储备粮公司监管和稽核中央储备粮，地方级由省级政府相关职能部门进行监管和稽核。两级监管和稽核除主体不同外，工作目标、模式、问题均相同，下面以地方体系为例予以说明。省级储备粮监管和稽核体系包括体制、机制、制度三个方面r 】。体制和机制方面，监管者为粮食局，负责对粮食储备过程进行监管，督导粮库公司按计划储备粮食：稽核者为财政局，负责对粮库进出库数量和时间进行核对，并按粮食储备数量和时间发放补贴；被监管方为企业性质的粮库公司，具体负责执行储备粮计划的收购、储备、轮换等业务，实行粮食局负责日常数量监管，财政局负责数量核定的两重监管机制r 】。制度方面，主要实行规定检察制度、巡查制度和抽查制度r 】。有关研究分别就体制的主体、责任划分、责任落实、制衡机制、监管制度等进行了探讨，在体制主体方面，提出了成立专业粮食储备公司，统一管理储备粮的思路【”，该思路明显有利于规范化专业管理，打破父子监管关系，一定程度的缩小监管面，但在如何监管专业粮食储备公司方面未有进展，不能根本解决专业粮食储备公司违规行为；在权责分工和责任落实方面，提出了合并监管和稽核职能，委托第三方执行的观点【”，但问题是公正、负责的第三方难以形成，缺乏可操作性；如王芳、柳长焱等人对储备粮体制问题与对策的研究，提出了权责对等、减少部门冲突、落实责任的思路【3 】【4 】；杜彦坤、张昌彩等人进行的国内外储备粮管理体制对比研究 5 1 【6 1 ，按照“计划型”、“市场型”、“复合型 三类模式分别总结了各类模式的运行特点及效果，理性分析了各类模式的利弊；刘伟通过对银行管理和古代粮食管理的总结提出了严格责任，加强监管的制度建议p j ，但在杜绝监管空白方面未有对策。综上所述，目前研究大多某些方面或问题展开对策研究，未能针对监管和稽核问题进行整体性研究、提出整体性解决方案，尤其对于杜绝监管空白方面未有有效对策，故可行性、实用性严重不足，这大概是储备粮监管问题久治不愈的主要原因。1 2 2 数量监管与稽核工具研究概况从技术实质上看，粮食实物数量监管和稽核，就是对粮仓中粮食变化过程的第一章绪论数量、时间进行测量和核对，以及对相关数据进行有效的管理。与此相关的技术主要有自动化计量和视频监控管理两大领域，相关研究与应用如下：1 、自动化计量工具在自动化计量工具方面，主要有称重计量、主动测量法、基于图像识别技术的方法三类技术：( 1 ) 称重计量技术一般通过设立专用粮食进出通道设施并采用地衡对进出通道的粮食自动称重，然后将稽核信息传给监管者进行稽核，美国等发达国家的大型粮食储备库和我国少量的国家级大型储备库采用此方法【6 】【8 】。该方法可自动采集监管和稽核数据，使得该法对监管强度的需求很小，能满足监管人员较少的情况，但此法的缺陷也是明显的，对设施要求较高，投资及维护成本均较高，同时，从监管和稽核的角度看，该法对计量的规范性操作要求依赖太强，在粮食保管者有违规动机时，容易受到人为干扰【9 1 ，如改变计量器具受力点、在计量器具上附加物体、甚至破坏计量器具等，故依然需要高强度现场监管，对节省监管力量帮助不大，我国的具体应用就证明了这一点。( 2 ) 主动测量法是一类基于对象体表面距离测量原理的方法，该方法较成熟，可采用激光扫描、红外扫描、g p s 测距等技术【1 0 1 ，测量对象体任意表面与探头的距离，运用空间3 点确定坐标原理，通过多探头( 一般至少为3 个以上) 数据的拟合还原对象体立体形状，得到对象体的全数字化描述【1 1 】【1 2 】【1 3 】，进而对数字化对象体进行重积分运算得到体积，再以体积乘以比重即可得到对象体重量，该技术因基于对象体的扫描，扫描时间较长，故一般用于静态对象体的识别，而不适用于动态场景。同时，由于设备价格高昂，不适合大批量采用。( 3 ) 基于图像识别技术的方法主要包括双目或多目视觉法和单目视觉法。i 双目( 多目) 视觉法。其基本原理是从两个( 或多个) 视点观测统一景物，以获得在不同视角下的感知图像【1 4 】，通过三角测量与计算图像间的位置偏差( 即视差) 来获取景物的三维信息。这主要是模仿动物眼睛识别的原理，使用不同位置的双c c d 或多c c d 获得两个以上的图像，再通过三维重建算法得到场景的三维坐标。b a r a n a r d 提出了一个完整的立体视觉系统可以分为图像获取、摄像机标定、特征提取、立体匹配、三维信息恢复和后处理六部分。双目视觉法应用潜力巨大，但需要研究和解决的问题还很多，主要表现在立体匹配、三维信息恢复 1 5 1 1 6 】。武汉大学测绘学院采用双目视觉法，通过加入定位棒较好的解决了对象体立体坐标确定和匹配问题，所实现的煤堆体积测定达到了工程实用要求，但所4天津大学博士学位论文储备粮智能监管与稽核系统关键技术研究实现系统为静态体积测定，无动态批次测定功能，且系统实现成本远高于单目视觉法。多目视觉中也存在许多问题，如平行于外极线的边缘匹配会出现模糊；图像中重复或相似特征的存在易产生假目标；在基线距离增大时，遮挡严重，能重建的空间点减少，而且此时由于视差范围增大，在较大的搜索空间内产生错误匹配的可能也增大。为了解决这些问题，从1 9 8 6 年以来提出三目视觉方法。根据摄像机的位置关系可分为直角三角形结构和共线结构的三目视觉。直角三角形结构的三目视觉法的原理是三个摄像机具有相同的透镜焦距和光轴方向。这种方法避免了边缘与外极线平行时的匹配模糊性，但如何综合两个图像对所得到的深度信息来得更准确和完整得到深度图，到目前为止，还没有一个很完善的方法。i i 单目视觉法。采用单c c d 图像为识别源，通过对二维图像的识别和相关三维计算方法将二维图像转换为三维图像，但是，理论上单c c d 的二维图像缺少了立体维度信息，导致三维重建具有多义性，结果容易出现病态，只有加入特定领域的足够先验知识以及基于对象体识别才能避免，故一般是多约束条件下的三维重构【1 7 1 1 1 8 1 。对单目视觉的研究除了推导三维信息外，还易于利用单幅图像定性识别视频帧的变化，而且因其仅需一台摄像机，所以该方法的优点是结果简单、相机标定也简单，同时还避免了立体视觉中的视场小、立体匹配难的不足。然而目前由于技术实现的难度较高，对于单目视觉法的研究者相对较少，尤其是国内，未见到采用单目视觉法进行动态体积测定的研究及应用报道。上述三类方法中，单目视觉法集硬件简单、成本低廉、适合工程应用，且易于与视频监控系统等优点于一体，减小系统复杂度及降低造价，应是实现技术的首选。该方法以平面图像识别为基础，通过结构性识别和补充先验知识，将所识别平面对象体转换为三维对象体，再对三维对象体计算体积或重量，达成体积或重量识别目的，并可在单帧识别基础上进行连续帧的差异对比，从而实现对象体动态识别，显然，该方法不依赖粮库方，仅需根据粮仓视频码流即可实现对粮仓的远程自动监管与稽核，监管人员只需用相关识别数据与申报或计划数据对比即可完成监管与稽核业务，从而大幅降低监管强度，提高监管质量。2 、视频监控管理系统在视频监控方面，目前商业化视频监控产品智能化功能仅局限于简单的人工布防式移动侦测，仍需要监管人员高强度监管，远不能达到自动监管效果，且所采用无连接通信方式，虽可实现广域网通信，但从效果上看，由于带宽的不稳定，在互联网上极易断码，不能保证码流的送达，故仅能用于局域网范围内监管，不能满足基于互连网的远程视频监管要求，监管范围受限。同时，视频码流普遍采用文件方式管理，安全性差，不能满足证据管理要求，管理、使用不便。第一章绪论在码流通信方面，视频监控系统多采用面向无连接19 】【2 0 1 、自适应调整码率【2 1 】【2 2 】 2 3 1 、封装自定义数据刨2 4 】【2 5 1 、动态丢弃视频帧【2 6 】【2 7 】等方法来实现视频实时传输。该通信方式存在三大缺陷，其一，无连接方式传输，发送方无法获得接收方的反馈数据报文，很难查明所有视频码流是否被正常接受，视频质量无法保证【2 8 】；其二，在网络带宽较窄、带宽频繁骤变的公网通信常规情况下，必然出现主动丢弃视频帧，影响视频质量的现象例【3 0 】【3 1 】；其三，网络拥塞的出现必将导致视频帧或数据包的丢失、畸变，传输的双方必须占用大量的资源开销来完成差错控制和反复重传，引发越来越多的码流片段占据通信信道，加重拥塞，最终导致传输工作因为超时而停止【3 2 】，故此类系统一般只能适应于带宽较稳定的局域网环境3 3 】【3 4 1 3 5 1 。对于监控视频码流管理，商业化视频监控系统基本采用文件系统管理视频码流，没有采用数据库方式进行管理 3 6 1 ，不能满足涉及重大经济利益的“证据级数据管理。其一，文件管理系统安全性差，黑客可以轻易地侵入系统目录，篡改删除视频数据；其二，缺乏必要的数据管理与应用功能，管理、检索、查询数据不方便，少量专用监控系统即使采用数据库管理视频码流【3 【3 8 】由于没有建立明确、全面、强扩展的视频特征库，导致视频检索效率低，难以迅速对用户需求做出反应。此外，现有监控系统在监控报警方面，仅提供基于像素宏块判断的人工布防功能，即只提供报警结果，不提供报警内容信息，难以对监控结果进行自动分析，依然需要监管人员高强度的视频监控，对根本解决监管人员工作量太大的问题帮助不大。综上所述，现有监控系统在监控范围、传输手段、数据管理、分析识别上都存在缺陷。基于此，需要设计、开发集自动计量监控、实时视频远程传输、视频码流数据库管理、自动高效识别为一体的监控系统。1 2 3 图像体积识别研究现状在粮食管理领域，基于视频图像体积识别方法的研究和应用目前尚未见到报道。在图像体积识别领域，主要有静态识别和动态识别两类，静态识别多用于对象体特征识别或形状识别和切割，先总结对象体灰度、色彩、纹理、形状等特征的先验知识，然后采用合适的方法分析图像像素聚类“块”及其边界，通过图像块特征与先验知识的比对达成识别并提取对象体的目的，从而得到对象体是什么或怎么样的识别结论。问题的关键在于如何高效分析图像像素聚类“块”及其边界，聚类的方法和标准是什么? 如何将二维对象体恢复到三维空间? 一般不直接用于重量或体积识别，其原因大概有二，1 、图像中缺乏具体尺寸参数；2 、平面6天津大学博士学位论文储备粮智能监管与稽核系统关键技术研究投影还原立体图问题的困难性。动态识别多用于对象体运动状态的识别，一般先根据特征对单帧对象体进行识别，然后在此基础上进行连续帧对象体运动状态的比对，从而通过对象体运动特征推断出对象体是什么，由于图像识别的运算量较大，故对于动态识别来说，识别效率问题应当充分考虑。在图像识别领域，与对象体数量或体积识别相关的研究主要有三维重构法和特征推断法两类。三维重构法试图通过像素“块 或对象体识别获取相关形状、位置等信息，通过识别补充维度信息，将对象体平面图像复原为三维体【3 州，该方法由于维度信息不足，一般来说难以重构，目前这方面的研究进展不大j 【4 ，除非对象体为规则体，且有足够的特定领域的先验知识；特征推断法通常用于规则对象体识别，先对场景和规则对象体进行分析，取得规则对象体的先验知识，再通过对象体特征点识别找出相关特征点，从而识别规则对象体形状，最后以人工方式确定具体体积参数，计算出对象体体积。从方法论的角度看，三维重构法具有普遍性，特征推断法具有有效性，故对于解决对象体数量和体积识别问题来说，应当是两者的结合，以三维重构法为框架，针对平面点的灰度信息和相对距离难以唯一确定其空间坐标问题，通过对象体特征信息分析并结合特征推断法进行对象体特征或形状分析，补充维度信息，确定其相关面参数。根据平面投影图的任意点一定在空间体的某一个面上，先确定该点所在面，再计算该点距离其面边界的相对距离便可唯一确定其空间坐标，依此原理即可实现二维图像转换为三维图像。需要指出的是该方法一般适用于比较规则的对象体识别，这由特征推断法所决定。另外，由于视频对象体是有一定视角误差的，这是影响体积识别精度的重要因素，故研究采用精确的算法校正误差是必须的。就视频图像体积动态识别问题来说，除上述三维重构问题、视角误差校正、识别效率以外，具体尺寸参数的确定或数量的自动推断也是需要解决的重要问题。由于储备粮粮仓主要有散装仓和袋装仓，散装仓有反映距离和体积信息的标尺，袋装仓无标尺，但每袋粮食数量相等且已知。故对于本系统来说，分析散装粮和袋装粮粮仓场景特点，研究完整有效的数量识别方法，研究高效的分割和识别方法识别对象体，采用精确的算法校正视角误差，提高所识别对象体体积参数精度，研究有效的手段自动补充具体尺寸参数计算出对象体体积，并在此基础上进行连续帧的体积或数量差异对比，从而得到对象体数量、数量变化量以及变化时间等关键监管数据，就成了必须研究和解决的重点问题。第一章绪论1 3 本文研究目的与主要研究内容1 3 1 本文研究目的分析、研究储备粮实物监管与稽核相关管理和技术问题，提出完备的储备粮实物监管与稽核总体解决方案，并设计、开发“储备粮智能监管与稽核系统，实现粮食实物的远程全自动监管和稽核，以及相关证据保留与管理，实物数量计量误差小于3 ，满足管理要求，使用方便、可靠，系统实现成本较低。1 3 2 本文研究的主要内容针对国家储备粮监管和稽核的主要问题一粮食实物数量管理过程中普遍存在的虚库、虚报贴息等问题，提出整体解决方案。具体包括：1 、管理体系调整。在调查基础上，理性分析储备粮监管和稽核的体制、机制、制度和手段，总结发生虚库、虚报补贴等问题的原因和机理，提出总体解决方案思路和管理体系调整要点。2 、监管、稽核工具研究与开发。根据智能监测、全程监管、智能稽核、证据留底、据实补贴的全新监管和稽核理念，在比较相关实现技术基础上，采用单目图像动态识别技术，研究实物数量动态检测、粮食实物远程全自动监管和稽核、码流通信与管理等基本问题，重点研究和解决散装粮和袋装粮两类场景的粮食数量识别、码流动态性判别、批次判别、码流数据库管理、高可靠码流数据传输等关键问题，并在此基础上，采用c + + 、j a 、，a 、a s p 、s q l 等开发工具，按软件工程和信息系统开发方法，设计、开发“储备粮智能监管与稽核系统”，实现智能监测、全程监管、智能稽核、证据管理等功能，实物数量计量误差小于3 。1 4 本文的社会、科学意义和应用前景分析储备粮实物监管与稽核历来是储备粮管理的重点和难点，本文以省级储备粮监管与稽核为背景，提出了完整的解决方案，所设计、开发的储备粮智能监管与稽核系统是一套以图像识别为基础，集数据自动采集、自动监管、自动稽核、证据管理为一体的应用系统，首次实现了粮食实物的远程监管与稽核，可从根源上避免国家因监管和稽核不力而导致的虚库、虚报贴息等损失，同时可大幅降低监管与稽核成本。所研究的基于图像识别的体积动态测量方法，是对传统称重计量方法的创新，具有对大宗均质物体计量快速、方便、成本低的特点，可运用于其他体积动态测量领域。天津大学博士学位论文储备粮智能监管与稽核系统关键技术研究本系统的研发除解决前述监管与稽核问题，有利于保障国家粮食安全，减少储备损失等社会意义外，其直接经济效益也十分可观，主要表现在杜绝虚库节省财政支出、节省监管费用、节省稽核搬运费用三大方面，具体如下：l 、杜绝虚库节省财政支出目前，国家粮食储备约3 0 0 0 亿斤( 价值约3 0 0 0 亿元) r j ，直储约1 6 0 0 亿斤，代储约1 4 0 0 亿斤，国家和省级财政年支出粮食储备本金1 6 0 0 亿元，粮食储备贴息约1 0 0 亿元，粮食储备补贴约1 6 0 亿元，上述三项合计约1 8 6 0 亿元，据估计，储备粮虚库率约3 一6 ，每年因此而吞噬的财政资金至少5 4 亿元以上。如全面推广本系统则全国每年可避免5 4 亿元以上的财政资金损失。重庆市储备粮规模约5 0万吨，每年可避免财政资金损失3 0 0 0 万元。2 、采用先进手段节省监管费用目前国家储备粮实物监管采用巡查制，国家粮食公司负责监管中央储备粮，省级粮食局和财政局负责监管地方储备粮，而储备粮库点一般都在区县，故巡查人员的工资开支和差旅开支也是一笔不小的支出。以重庆市为例，重庆市有库点约5 0 个，基本分布在区县，按每位巡查人员负责5 个库点，每个库点平均每月巡查两次计算，需要巡查人员1 0 3 , ，需支出人员工资约4 0 万元年，支出差旅费5 0 1 2 2 4 0 0 = 4 8 万元，如采用本系统则可节约监管费用8 8 万元年。全国约有库点3 0 0 0 个，需要巡查人员6 0 0 人，需支出人员工资约2 4 0 0 万元年，支出差旅费3 0 0 0 1 2 2 4 0 0 = 2 8 8 0 万元，如采用本系统则全国可节约监管费用5 2 8 0 万元年。3 、采用先进手段节省稽核搬运费用目前国家储备粮实物稽核采用称重计量方式，按每个库点每年实物稽核一次，平均每次实物稽核搬运费2 0 元吨计算，则重庆市需花费稽核搬运费用1 0 0 0万元年，全国需花费稽核搬运费用2 6 亿元年。综上所述，采用基于视频识别方式的粮食数量监管系统可杜绝虚库节省财政支出、节省监管费用、节省稽核搬运费用，重庆市可节约财政资金4 0 8 8 万元年，全国可节约财政资金8 0 4 亿元年。从投资效益角度看，按每1 0 0 0 吨设置一个监控点位，每个监控点位相关视频监控系统、网络、服务器、编解码器等约需2万元，则重庆市粮食实物数量管理系统需设备投资2 5 0 0 = 1 0 0 0 万元，投资回收期为1 0 0 0 4 0 8 8 = 0 2 3 年；全国储备粮实物数量管理系统需设备投资2 1 3 = 2 6 亿元，投资回收期为2 6 8 0 4 = 0 3 2 年。由此可见，本“储备粮智能监管与稽核系统”的开发具有巨大的经济价值和推广意义。9第一章绪论1 5 主要创新点本文的主要创新点主要包括以下四个方面：1 、全面分析了储备粮管理的体制、机制、制度、方法，总结了发生虚库、虚报贴息等问题的原因和机理，针对体制、机制瑕疵，以及监管和稽核工具的严重落后，以填补监管空白和落实实物稽核思路，提出了以计量工具创新和i t 技术应用为基础的智能监测、全程监管、智能稽核、证据留底、据实补贴的全新监管和稽核理念。2 、基于图像识别的粮食计量工具。以单目视觉法，采用图像识别技术，高精度( 误差 螂岍6 )公拍删，+ b + g，= 一3第四章识别方法研究其中s ：i m i n ( r , g , b )i，：兰! 二墨二垒g b公式( 4 - 4 )公式( 4 - 5 )公式( 4 - 6 )由h i s 彩色模型示意图可知，可以根据需要提取任意颜色区域。最后根据对象体颜色在h s i 彩色模型的中的分布，就可初步确定r o i 区域。如标尺对象体为红色区域，根据h i s 彩色模型，红色分布的区域为3 1 5 0 - 3 6 0 0 及0 0 - 2 3 0 范围内，由此即可确定标尺的可能所在区域。( 4 ) 待识别对象边界分割采用r o b e r t 梯度算子和梯度阈值分割方法对r o i 区域目标进行边界分割，得到待识别对象边界。首先，对r o i 区域进行边界检测，通过边界确定识别对象平面形状。具体做法为：在颜色提取的基础上，根据源图像的灰度图，采用对灰度的变化率及变化方向进行分析的方法，用边界分割r o b e r t 局部边缘检测算子检查每个像素点的邻域，并完成各像素点邻域的灰度变化率量化及变化方向的确定。再以梯度