人體識(shí)別系統(tǒng)中通行識(shí)別技術(shù)的研究

摘要：人體識(shí)別系統(tǒng)是城市軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。為了對(duì)人體識(shí)別系統(tǒng)中通行識(shí)別技術(shù)進(jìn)行研究，采用對(duì)射式紅外傳感器采集通行目標(biāo)的通行狀態(tài)，在通道兩側(cè)分別安裝傳感器，在Matlab仿真的基礎(chǔ)上將步態(tài)識(shí)別方法與人體識(shí)別規(guī)則相結(jié)合·分析閘機(jī)通道內(nèi)通行目標(biāo)的類型和數(shù)量，對(duì)其新型識(shí)別方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該識(shí)別方法有效可靠。
關(guān)鍵詞：紅外傳感器；Matlab仿真；步態(tài)識(shí)別；人體識(shí)別

0 引言
    隨著社會(huì)的進(jìn)步，地鐵作為城市軌道交通中的重要組成部分在人們的生活中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)方式逐步被新型方式取代，現(xiàn)在的自動(dòng)售檢票系統(tǒng)(Automatic Fare Collection system，AFC)是一種由中央處理單元控制的集自動(dòng)售檢票功能為一體的自動(dòng)化處理系統(tǒng)。人體識(shí)別系統(tǒng)主要運(yùn)行在閘機(jī)設(shè)備上，利用其內(nèi)部的識(shí)別技術(shù)對(duì)乘客的行為進(jìn)行識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢票。系統(tǒng)中運(yùn)用的通行識(shí)別技術(shù)是十分重要的環(huán)節(jié)，它是保證持票乘客正常通過、阻止無票乘客進(jìn)出的“守門人”，在城市軌道交通中發(fā)揮著重要作用。
    識(shí)別技術(shù)中的步態(tài)識(shí)別方法是重要的識(shí)別方式之一。步態(tài)識(shí)別方法是通過人體的通行特征來區(qū)分通行者和與通行者十分相似的物體，并且融合了計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)與視頻圖像序列識(shí)別技術(shù)，是特征生物技術(shù)的一個(gè)新興研究領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文利用Matlab實(shí)現(xiàn)對(duì)通道內(nèi)通行目標(biāo)進(jìn)行仿真，綜合步態(tài)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行識(shí)別驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)證明，借助Matlab平臺(tái)對(duì)通道內(nèi)通行的物體進(jìn)行識(shí)別具有很好的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 人體識(shí)別系統(tǒng)
    人體識(shí)別系統(tǒng)是城市軌道交通閘機(jī)中的核心部分，是閘機(jī)的“思維中樞”。閘機(jī)人體識(shí)別系統(tǒng)是由控制通行模塊和閘機(jī)上的若干傳感器組成，它將人體識(shí)別技術(shù)、現(xiàn)代傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，檢測通行通道內(nèi)通行目標(biāo)的通行情況，將檢測結(jié)果報(bào)告給控制通行模塊，控制通行模塊根據(jù)檢測結(jié)果來控制閘機(jī)其他部分的工作。因此，人體識(shí)別系統(tǒng)的研究是整個(gè)閘機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它的優(yōu)劣不僅是衡量閘機(jī)性能的主要標(biāo)準(zhǔn)，而且還關(guān)系到整個(gè)自動(dòng)售檢票系統(tǒng)的成敗。
    閘機(jī)人體識(shí)別系統(tǒng)中的通行通道是由兩臺(tái)平行放置的閘機(jī)組成，對(duì)射式紅外傳感器分別布置在兩端的閘機(jī)上，一端為傳感器的發(fā)射端，另一端則為傳感器的接收端?？刂仆ㄐ心K是人體識(shí)別系統(tǒng)的核心組件，是連接系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)置的中心紐帶。當(dāng)傳感器檢測到有目標(biāo)進(jìn)入通道時(shí)同時(shí)檢查是否存在刷卡信號(hào)：如果不存在刷卡信號(hào)，則檢查是否達(dá)到收費(fèi)的身高要求，未達(dá)到收費(fèi)的身高要求則打開扇門允許通過，如達(dá)到收費(fèi)的身高要求則為非法通行并進(jìn)行報(bào)警處理；如果存在刷卡信號(hào)，則查詢進(jìn)入通行通道的目標(biāo)個(gè)數(shù)與刷卡次數(shù)是否一致，不一致則為非法通行并進(jìn)行報(bào)警處理，一致則打開扇門使其通行，并且通過傳感器再次檢測離開通行通道的目標(biāo)個(gè)數(shù)是否與刷卡次數(shù)一致，不一致則為非法通行并進(jìn)行報(bào)警處理，一致則為合法通行?？刂仆ㄐ心K主要通過采集到的傳感器的顯示狀態(tài)，分析得出通行目標(biāo)的類型與數(shù)量，得出進(jìn)入通道通行的人數(shù)，檢查是否與刷卡時(shí)人數(shù)一致，如不同，則判別為非法通行啟動(dòng)報(bào)警裝置；如相同，則打開扇門將其通過，并同時(shí)通過傳感器檢測通行目標(biāo)離開通道時(shí)是否與刷卡時(shí)人數(shù)一致，不一致則判別為非法通行啟動(dòng)報(bào)警裝置，一致則為合法通行。人體識(shí)別系統(tǒng)通行基本流程圖如圖1所示。

2 仿真實(shí)驗(yàn)
2．1 通道傳感器布置
    使用對(duì)射式紅外傳感器采集通道內(nèi)通行目標(biāo)，對(duì)射式紅外傳感器由發(fā)射端和接收端兩部分組成，它可以用來檢測在發(fā)射端和接收端之間是否存在通行目標(biāo)。當(dāng)在發(fā)射端和接收端之間不存在通行目標(biāo)時(shí)，接收端則會(huì)接收到對(duì)應(yīng)發(fā)射端發(fā)射的紅外線，此時(shí)傳感器所對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)為0；當(dāng)在發(fā)射端和接收端之間存在通行目標(biāo)時(shí)，通行目標(biāo)會(huì)遮擋發(fā)射端發(fā)射的紅外線，相對(duì)應(yīng)的接收端則不會(huì)接收到紅外線，此時(shí)傳感器所對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)就變?yōu)?。則t時(shí)刻，所有的傳感器狀態(tài)均可以用0或者用1來顯示。
    本實(shí)驗(yàn)中根據(jù)GB 10000-1988中國成年人人體尺寸布置12對(duì)傳感器，傳感器1～4對(duì)用于檢測通行目標(biāo)是否進(jìn)入通道，分別布置于小腿、大腿及臀部位置；傳感器5～10對(duì)用于步態(tài)識(shí)別，分別布置于腳踝位置；傳感器11～12對(duì)用于檢測通行目標(biāo)是否離開通道，布置于直立行走時(shí)臀部、坐時(shí)頭部位置。狀態(tài)數(shù)據(jù)分為四個(gè)部分，分別用1隔開，數(shù)據(jù)前三個(gè)部分分別對(duì)應(yīng)三類傳感器，最后一個(gè)部分為通行目標(biāo)通行的時(shí)間。當(dāng)t時(shí)刻通道內(nèi)無人通行時(shí)，數(shù)據(jù)顯示為10000，1000000，100，t。如圖2所示，顯示為無人通行時(shí)傳感器狀態(tài)圖。圖中0顯示為白色，1則顯示為黑色，橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)顯示格式。

2．2 通行識(shí)別方法
2．2．1 步態(tài)識(shí)別方法
    步態(tài)識(shí)別是近年來計(jì)算機(jī)視覺和生物特征識(shí)別領(lǐng)域備受關(guān)注的一個(gè)研究方向，主要根據(jù)人體行走過程中雙腿直立行走這一特殊行為特征進(jìn)行身份識(shí)別。與其他生物特征識(shí)別技術(shù)(例如指紋、語音、人臉等)相比，步態(tài)識(shí)別的優(yōu)勢在于非接觸性、非侵犯性、易于感知、難于隱藏、難于偽裝。本實(shí)驗(yàn)的步態(tài)識(shí)別方法是借助對(duì)射式紅外傳感器對(duì)閘機(jī)通道內(nèi)通行狀態(tài)中人體與物體進(jìn)行識(shí)別的方法，是在人體步態(tài)的XYT模型的基礎(chǔ)上，通過對(duì)人體特殊的步態(tài)特征定義來區(qū)分人體與物體。
    在含有傳感器組成的通行通道內(nèi)，人體行走與物體在通過傳感器時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列與時(shí)間序列相聯(lián)系的離散點(diǎn)，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)傳感器的狀態(tài)則相應(yīng)地反應(yīng)出當(dāng)時(shí)狀態(tài)下人體與物體遮擋傳感器的情況。在本實(shí)驗(yàn)中，借助Matlab仿真平臺(tái)顯示通行目標(biāo)通過通道時(shí)傳感器的狀態(tài)，如果人體通過通道時(shí)，由于人體特殊的行走規(guī)律，會(huì)產(chǎn)生特殊的雙絞線模型，而物體通過通道時(shí)，則是連續(xù)遮擋鋸齒模型，對(duì)這些離散數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，人體識(shí)別系統(tǒng)則可以對(duì)人體與物體進(jìn)行區(qū)分。人體通過時(shí)傳感器狀態(tài)如圖3所示。

    如圖3所示，橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)顯示格式，顯示傳感器的狀態(tài)，縱坐標(biāo)代表時(shí)間(單位：s)，中間6個(gè)傳感器為步態(tài)檢測傳感器。人體的行走過程可以分為若干個(gè)步態(tài)周期的組合。在采集數(shù)據(jù)中可以看到，用于采集步態(tài)識(shí)別的傳感器有數(shù)據(jù)缺失的現(xiàn)象，采樣點(diǎn)的限制造成了數(shù)據(jù)的缺失，因此理論上傳感器布置的數(shù)量越多，采集到的數(shù)據(jù)越充分，仿真效果就越準(zhǔn)確，人體識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別率越高。但是，傳感器數(shù)量的增多會(huì)帶來很多其他問題，因此，要獲得高的識(shí)別率還要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)以確定傳感器數(shù)量的最佳值。

    人體與物體共同通行時(shí)傳感器狀態(tài)如圖4所示。從結(jié)果顯示中可以看出人體的雙腳步態(tài)特征：兩腳前后遮擋傳感器，一腳先遮擋傳感器，另一只腳隨后遮擋并且遮擋時(shí)間不一致。物體特征：一直遮擋傳感器。由上述特征可以檢測出通行通道中的通行目標(biāo)的類型和數(shù)量，從而將檢測結(jié)果傳輸給控制通行模塊，以便更好地控制系統(tǒng)中其他設(shè)備的正常工作。
2．2．2 人體識(shí)別規(guī)則
    人體識(shí)別規(guī)則是通過人體庫綜合通行規(guī)則方法對(duì)通行通道內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行判定，由于采用之前所述傳感器布置方案，人體識(shí)別可以對(duì)各種不同的人體通行情況進(jìn)行有效識(shí)別。
    人體庫是對(duì)通行目標(biāo)進(jìn)行逐一分類，實(shí)現(xiàn)對(duì)已經(jīng)在自動(dòng)檢票機(jī)刷卡即將在閘機(jī)通行通道內(nèi)通行人體的識(shí)別，結(jié)合人體識(shí)別系統(tǒng)：按身高：身高低于130 cm的兒童不需要購票，只需針對(duì)高于130 cm的通行目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別；按胖瘦：胖(包括女士懷孕)、正常、瘦；按穿著：顯示兩腿、顯示三條腿(拐杖)、顯示一條腿(殘疾、穿長裙)；按通行個(gè)數(shù)：單人通行、多人通行；多人通行間隔：緊貼、并排、正常。
    通行規(guī)則是對(duì)不同人體通行過程中通行狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)檢票機(jī)刷卡即將在通道內(nèi)通行人體的識(shí)別：人體正常行走；人體攜帶物體正常通行；人體非法通行。
    人體識(shí)別規(guī)則是人體庫綜合通行規(guī)則的方法控制閘機(jī)的正常運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)對(duì)通道通行目標(biāo)的識(shí)別。當(dāng)單人通行時(shí)，如果出現(xiàn)單人爬行和單人跨越的現(xiàn)象，則認(rèn)定為非法通行進(jìn)行報(bào)警處理，其余認(rèn)定為合法通行；如果多人通行出現(xiàn)緊貼、并排通行試圖逃票者，則認(rèn)定為非法通行進(jìn)行報(bào)警處理，其余認(rèn)定為合法通行。

3 結(jié)論
    本文主要研究了城市軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)中通行識(shí)別技術(shù)，在Matlab仿真的基礎(chǔ)上結(jié)合步態(tài)識(shí)別方法與人體識(shí)別規(guī)則，并將其運(yùn)用到自動(dòng)檢票機(jī)的人體識(shí)別系統(tǒng)中，擺脫了對(duì)圖像檢測技術(shù)的依賴，減少了自動(dòng)檢票機(jī)的設(shè)備成本，兩者結(jié)合提高了自動(dòng)檢票機(jī)的設(shè)備性能，實(shí)驗(yàn)表明該設(shè)計(jì)可靠有效，為將來自動(dòng)檢票設(shè)備提供了新的設(shè)計(jì)方案。