周 冬，溫總周

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，旅游業(yè)蓬勃發(fā)展。對旅游車輛的監(jiān)控與管理成為一個不容忽視的問題。近年來，各式各樣的旅游車輛監(jiān)管系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。這些系統(tǒng)完成了對旅游車輛的監(jiān)控和管理，保證車輛的正常運(yùn)行；但沒有涉及到對旅客身份的識別和認(rèn)證，難以獲取準(zhǔn)確的旅客信息；同時旅游公司很難實(shí)時地得到旅游車輛的運(yùn)行狀態(tài)和準(zhǔn)確的地理位置。

針對現(xiàn)存旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)的不足之處，同時考慮到嵌入式系統(tǒng)軟硬件可剪裁的特點(diǎn)，本文提出了一種基于ARMLinux嵌入式系統(tǒng)的旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。剪裁移植嵌入式Linux作為該旅游車輛監(jiān)控終端的操作系統(tǒng)；利用基于PCA的人臉識別算法[1]，實(shí)現(xiàn)對旅客身份的識別和驗(yàn)證；利用RFID技術(shù)對旅客攜帶的行李物品信息進(jìn)行歸檔[2]；采用GPS獲取旅游車輛的實(shí)時位置信息[3]；通過GPRS方式實(shí)現(xiàn)旅游車輛和調(diào)度中心的通信[4]。該監(jiān)控系統(tǒng)可以對旅游車輛的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控，確保旅客的人身與財(cái)產(chǎn)安全。

1 旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)的組成及其功能

旅游車輛監(jiān)控終端主要由圖像采集模塊、電子標(biāo)簽閱讀器、GPRS模塊、GPS模塊組成，其工作原理如圖1所示。

圖1 旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of tourist vehicle monitoring system schematic

圖像采集模塊完成旅客人臉圖像的采集，并進(jìn)行相應(yīng)的圖像預(yù)處理，得到旅客的面部圖像信息。當(dāng)旅客上車時，對旅客面部圖像進(jìn)行采集，并與預(yù)先存儲的信息進(jìn)行匹配，如果信息正確，進(jìn)行人數(shù)統(tǒng)計(jì)，如果身份信息不對，進(jìn)行語音報(bào)警。這能夠在旅游景點(diǎn)自動清點(diǎn)旅客人數(shù)，避免出現(xiàn)丟客的現(xiàn)象，同時減輕工作人員的工作量。

電子標(biāo)簽閱讀器讀取旅客攜帶行李的信息，把所讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行索引存儲和電子歸檔。當(dāng)發(fā)現(xiàn)旅客的行李缺失時，系統(tǒng)將發(fā)出實(shí)時語音提示，提醒旅客攜帶好自己的行李物品。

GPS模塊主要利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)對旅游車輛實(shí)時定位，并且在車載終端上顯示相關(guān)的信息，同時通過GPRS模塊把旅游車輛的位置信息傳送給旅行社的車輛管理中心。

GPRS模塊主要通過移動通信網(wǎng)把車輛的運(yùn)行狀態(tài)、旅行車輛的地理位置信息和車輛人員的安全狀況實(shí)時傳送到車輛管理中心，同時把車輛管理中心對旅游車輛的調(diào)度信息傳送到旅游車輛，實(shí)現(xiàn)對旅游車輛的調(diào)度和管理。

2 旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)的硬件平臺主要由帶三星公司的S3C6410處理器的核心板、圖像采集模塊、LCD顯示模塊、GPS定位模塊、GPRS無線通信模塊及相應(yīng)的通信接口模塊構(gòu)成[5]，其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 旅游車輛監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of tour vehicle monitoring terminal

本系統(tǒng)選用三星公司的S3C6410作為系統(tǒng)微處理器。S3C6410是由三星公司推出的一款低功耗、高性價比的RSIC處理器，它基于 ARM11內(nèi)核（ARM1176JZF-S）。S3C6410為2.5G和3G通信服務(wù)提供了優(yōu)化的硬件性能，內(nèi)置強(qiáng)大的硬件加速器：包括運(yùn)動視頻處理、音頻處理、2D加速、顯示處理和縮放等；集成了一個 MFC（Multi-Format video Codec）支持MPEG4/H.263/H.264編解碼和VC1的解碼，能夠提供實(shí)時的視頻會議以及NRSC和PAL制式的TV輸出；除此之外，該處理器內(nèi)置一個采用最先進(jìn)技術(shù)的3D加速器，支持OpenGL ES 1.1/2.0和D3DMAPI，能實(shí)現(xiàn) 4M triangles/s的 3D加速；同時，S3C6410包含了優(yōu)化的外部存儲器接口，該接口能滿足在高端通信服務(wù)中的數(shù)據(jù)帶寬要求。穩(wěn)定頻率可達(dá)400MHz，內(nèi)部集成USB、UART、SDRAM和FLASH等控制器，以配合外圍的網(wǎng)絡(luò)和鍵盤等設(shè)備，可以方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展。

本系統(tǒng)通過兩片K4X51163PC芯片的級聯(lián)組成128M的32bit位寬DDR存儲器，DDR數(shù)據(jù)傳輸總線頻率可達(dá)266MHz。同時，選用K9G8G08U0A芯片的NAND Flash作為外部存儲系統(tǒng)，存儲容量達(dá)到1G，主要存放Bootloader，Linux內(nèi)核及根文件系統(tǒng)；選用AM29L160DB的Nor Flash存儲器存儲專用引導(dǎo)程序。電路板上設(shè)有4路串口，包括1個五線RS-232電平串口和3個三線TTL電平串口，串口通信采用的是MAX202E，其中串口0主要用來測試用。利用串口1、2、3，可分別與GPS定位模塊、電子標(biāo)簽閱讀器和GPRS無線通信模塊相連接，實(shí)現(xiàn)車輛定位、電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)讀取以及與車輛管理中心的無線通信功能。USB接口采用AT43301芯片，將USB分成1個主機(jī)和1個從機(jī)接口。系統(tǒng)的USB攝像頭采用VIMICRO的VC0326感光芯片，它具有像素高、內(nèi)置支持MIC及USB2.0等特點(diǎn)。由USB攝像頭直接采集為數(shù)字圖像信號，避免了額外的視頻信號的模/數(shù)轉(zhuǎn)換過程。USB的即插即用特性使得設(shè)備接插連接更加的方便快捷。

3 旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)的軟件件設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)思想

嵌入式軟件系統(tǒng)的開發(fā)主要包含3個部分:系統(tǒng)引導(dǎo)加載程序（BootLoader）、嵌入式Linux內(nèi)核定制、根文件系統(tǒng)以及應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。整個監(jiān)控終端系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 旅游車輛監(jiān)控終端系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Software structure of tour vehicle monitoring terminal

BootLoader采用飛凌公司開發(fā)的U-Boot來引導(dǎo)操作系統(tǒng)。由于U-Boot對S3C6410處理器平臺的完整支持，故只需進(jìn)行少量地修改就可應(yīng)用于具體設(shè)計(jì)項(xiàng)目中。

嵌入式操作系統(tǒng)采用較新的Linux-3.0.1版本，該內(nèi)核對視頻及大數(shù)據(jù)量的處理都進(jìn)行了優(yōu)化，內(nèi)核也具有更好的內(nèi)核調(diào)度策略，實(shí)時性有較大的提高。

根文件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對Shell命令集的定制、系統(tǒng)配置腳本的編寫以及相關(guān)嵌入式庫文件的生成與添加?？紤]到嵌入式系統(tǒng)Flash資源有限，本設(shè)計(jì)方案利用mkcramfs工具制作壓縮根文件系統(tǒng)，以節(jié)約系統(tǒng)資源。

3.2 人臉圖像的檢測與識別

在旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)中，對人臉圖像的檢測與識別是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。在這里主要采用主成分分析方法（PCA）來完成對人臉圖像的自動識別。經(jīng)典的PCA方法由于提取的是圖像的全局特征，因此受光照條件和人臉表情變化影響比較大，造成識別效果不太理想。在本設(shè)計(jì)中采用伽馬變換對圖像進(jìn)行預(yù)處理[6]，使光照不均勻?qū)D像識別的影響降低，便于采用PCA方法對人臉圖像進(jìn)行識別。

人臉圖像的識別過程主要包括人臉庫建立和對輸入人臉的識別。人臉庫的建立過程大致如下：首先，系統(tǒng)把人臉檢測器裝入系統(tǒng)中，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化；再從攝像頭中取得圖像，當(dāng)檢測到人臉圖像后，對人臉區(qū)域進(jìn)行定標(biāo)；然后對該人的人臉圖片進(jìn)行一定的預(yù)處理，然后存入人臉庫。識別過程如下：首先對人臉數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訓(xùn)練，然后對檢測出的人臉進(jìn)行特征提取，使用分類器進(jìn)行識別。

3.2.1 人臉圖像的預(yù)處理

伽馬變換是一種常用的非線性變換，其基本表達(dá)形式為s=crγ，其中c和γ為正常數(shù)，r表示輸入圖像灰度值，s表示輸出圖像的灰度值。當(dāng)γ>1時，將輸入中范圍較窄的高灰度值映射為較寬輸出值，圖像的高灰度區(qū)對比度得到增強(qiáng)；γ<1時，將輸入中范圍較窄的低灰度值映射為較寬范圍輸出值，圖像的低灰度區(qū)對比度得到增強(qiáng)；當(dāng)γ=1時，屬于線性變換，不改變原圖像。當(dāng)γ值增大時，輸出灰度s會隨著指數(shù)的增加而迅速增大，但當(dāng)指數(shù)達(dá)到2或更高時，會使曲線變成一條近似的垂線而使產(chǎn)生的圖像幾乎全黑。因而要使r的取值在 0～1之間。

3.2.2 人臉識別

PCA方法是人臉識別中常用的一種方法，它從人臉圖像的全局出發(fā)，運(yùn)用K－L變換理論，在原始人臉空間中求得一組正交向量，并以此構(gòu)成新的人臉空間，達(dá)到降維的目的。

設(shè) xi∈Rn（i=1，2，…，m）是 M 個 n 維的觀測樣本，X=（s1，s1，…，s1）T為觀測樣本矩陣，其總體樣本的均值為：

樣本集的協(xié)方差矩陣為：

令 λi（i=1，2，…，r）表示的 r個非零特征根，且按照順序λ1≥λ2≥…λr排列，這些特征值相對應(yīng)的特征向量為Ui（i=1，2，…，r）構(gòu)成一個 n×r矩陣:

U中每一個向量都構(gòu)成一個特征人臉。

選擇前m（m≤N）個較大特征值組成的特征向量作為樣本的主成分?？梢酝ㄟ^累積貢獻(xiàn)率來確定m：

這樣，訓(xùn)練樣本xi在特征臉子空間的投影變換系數(shù)為：

測試樣本x在特征臉子空間的投影變換系數(shù)為：

運(yùn)用最近鄰分類器進(jìn)行判別分類，把與測試樣本距離最近的樣本所在的類確定為測試樣本所屬的類，判別式為：

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的功能是由應(yīng)用程序來完成。為了節(jié)約系統(tǒng)資源和有效利用CPU，本系統(tǒng)采用多進(jìn)程技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)的調(diào)度。嵌入式系統(tǒng)啟動時，先加載設(shè)備驅(qū)動程序，完成設(shè)備的初始化工作，然后調(diào)用應(yīng)用程序，完成如下功能：

1）信息數(shù)據(jù)的采集

通過USB接口采集圖像信號（帶USB接口的攝像頭）；通過串口采集車輛定位信息（帶串口的GPS模塊）、旅客的物品信息（帶串口的電子標(biāo)簽閱讀器）。

2）信息的處理模塊

對采集的圖像進(jìn)行識別處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對旅客身份的確認(rèn)；對車輛進(jìn)行GPS定位；對旅客的行李物品進(jìn)行登記并與旅客進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

4 結(jié) 論

本系統(tǒng)采用基于ARM11微處理器為主控硬件平臺，利用帶USB接口的攝像頭模塊實(shí)現(xiàn)人臉圖像的采集，同時采用PCA算法對人臉進(jìn)行識別；利用帶串口的電子標(biāo)簽閱讀器對旅客行李物品進(jìn)行登記并與旅客相關(guān)聯(lián)；利用帶串口的GPS模塊實(shí)現(xiàn)車輛的定位；采用GPRS模塊把旅客車輛的控制信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程的旅游車輛監(jiān)控中心。旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)是基于Linux操作系統(tǒng)開發(fā)，得益于Linux系統(tǒng)具有源代碼開放的優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)成本可大大降低。采用嵌入式系統(tǒng)，完成車輛、人員和財(cái)物的檢測與監(jiān)控是智能管理系統(tǒng)的一個嶄新的發(fā)展方向，有廣闊的應(yīng)用前景。

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