李文學(xué)（三星數(shù)據(jù)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司,北京　100000）

第三代出入口控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李文學(xué)
（三星數(shù)據(jù)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司,北京100000）

根據(jù)當(dāng)前出入口控制系統(tǒng)的缺陷，本文設(shè)計(jì)了第三代出入口控制系統(tǒng)。一方面，采用單像素檢測(cè)技術(shù)在控制成本的前提下將系統(tǒng)設(shè)計(jì)閘機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的2D圖像識(shí)別技術(shù)提高為3D，取得了革命性的技術(shù)突破，提高了檢測(cè)精度，對(duì)于疊加性的逃票和誤判，錯(cuò)誤執(zhí)行率大幅降低。另一方面，為了進(jìn)一步降低對(duì)兒童、孕婦、老人等易傷群體的傷害，將當(dāng)前主流的外覆軟性材料的硬擋板換成了具有高度彈性的互卡軟擋板，既降低了逃票的可能性，又保護(hù)了易傷群體。

單像素檢測(cè)；出入口控制；閘機(jī)

1　前言

出入口控制系統(tǒng)（AccessControlSystem,ACS）是采用現(xiàn)代電子設(shè)備與軟件信息技術(shù)，在出入口對(duì)人或物的進(jìn),出,進(jìn)行放行,拒絕,記錄和報(bào)警等操作的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)同時(shí)對(duì)出入人員編號(hào)，出入時(shí)間，出入門編號(hào)等情況進(jìn)行登錄與存儲(chǔ)，從而成為確保區(qū)域的安全，實(shí)現(xiàn)智能化管理的有效措施。此類設(shè)備廣泛應(yīng)用于軌道交通站點(diǎn)檢票、高檔樓宇出入控制等場(chǎng)合，市場(chǎng)容量大，利潤(rùn)率高，其關(guān)鍵技術(shù)被國(guó)外供應(yīng)商壟斷[4]。

在技術(shù)方案上，目前第二代ACS產(chǎn)品歷經(jīng)主要國(guó)際供應(yīng)商多年發(fā)展，已經(jīng)非常成熟，且各自成體系。但受限于傳感器陣列的稀疏的不足，其識(shí)別性能有限。更重要的現(xiàn)有系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單的直射和漫反射點(diǎn)紅外傳感器，極易收到陽(yáng)光干擾，因而限制了其戶外場(chǎng)景的應(yīng)用。

隨著行業(yè)的快速發(fā)展，第三代ACS產(chǎn)品呼之欲出。技術(shù)上，第三代系統(tǒng)主要解決識(shí)別精度。

2　識(shí)別精度提升：3D識(shí)別技術(shù)

2.13D成像的原理

視網(wǎng)膜、普通的相機(jī)所捕捉的都是二維圖像，如果要捕捉3D畫面，那么需要對(duì)攝入的信息進(jìn)行更復(fù)雜的加工。如圖1所示，如果2D觀看的點(diǎn)在中分線上，那么把該物體拆分為兩個(gè)點(diǎn)，分別為M 1，M 2。那么當(dāng)右眼看到的點(diǎn)是M 1，而左眼看到的點(diǎn)是M 2的時(shí)候，物體將會(huì)從真實(shí)的屏幕上向前移動(dòng)，給人的視覺(jué)感受是物體呈現(xiàn)在屏幕的正前方。反之，當(dāng)左眼看到是M 1，而右眼看到的是M 2的時(shí)候，成像后給人的視覺(jué)感受是在屏幕的后方。因此，可以通過(guò)改變光線攝入人眼的左右實(shí)現(xiàn)3D效果。

2.23D技術(shù)的選用

3D技術(shù)產(chǎn)生已經(jīng)很多年，但是早期的技術(shù)使用成本極高，如運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)、全息成像技術(shù)等等，盡管效果逼真，但是成本高昂，應(yīng)用條件苛刻，如使用價(jià)格高昂的光學(xué)鏡頭，限定與特定波長(zhǎng)的頻段，這都極大地限制了其在工業(yè)和生活中的大規(guī)模使用。對(duì)于出入口控制系統(tǒng)而言，當(dāng)其應(yīng)用到地鐵、火車站、飛機(jī)場(chǎng)的時(shí)候，急需期降低成本，并提高適應(yīng)環(huán)境的能力。因此，我們選用了一種最新的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)3D識(shí)別，在保證低成本的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高識(shí)別精度。

新技術(shù)名為單像素3D成像技術(shù)，其由英國(guó)格拉斯哥大學(xué)的孫寶清及其同事研發(fā)。該技術(shù)無(wú)需鏡頭和復(fù)雜設(shè)備便可重建物體3D圖像。它通過(guò)給一個(gè)3D物體（此例中是一個(gè)人頭模型）進(jìn)行照明，并用一種被稱為“單像素檢測(cè)器”的微小光檢測(cè)器從不同的角度檢測(cè)被照明的場(chǎng)景，研究人員收集到了反射光數(shù)據(jù)。然后，他們對(duì)這些反射光數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行加權(quán)，將從不同角度產(chǎn)生的所有這些加權(quán)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，就可以得到一幅該3D物體的準(zhǔn)確重建圖像。

“單像素3D成像技術(shù)”（MatthewEdgar，2013）是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的光電二極管，只由一個(gè)光敏元件組成，其安裝與配置十分簡(jiǎn)單。首先使用光投影儀以不同的光照方式對(duì)待成像物體進(jìn)行照明，然后用一個(gè)單像素檢測(cè)器測(cè)算整體反射光的數(shù)據(jù)，在對(duì)一系列反饋信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算之后，他們就得到了一副物體的2D圖像，這幅圖像中包含該光照模式對(duì)應(yīng)的陰影和明暗信息。因此，從理論上來(lái)說(shuō)，他們只需要兩個(gè)單像素檢測(cè)器得到的2D圖像就可以繪制物體的3D圖像。但是為了使計(jì)算更簡(jiǎn)便，通常使用四個(gè)單像素檢測(cè)器來(lái)完成這一工作。而3D成像系統(tǒng)的精度則取決于光照的方式，對(duì)物體的光照越精細(xì)，反射光與環(huán)境光就更容易區(qū)分，所得圖像的信噪比也就越大。效果見圖2、圖3。圖2表示在投影儀投光次數(shù)較少時(shí)的成像效果，隨著投影儀投光次數(shù)增多，單像素檢測(cè)器獲得的對(duì)象信息逐步增多，對(duì)象的真實(shí)輪廓逐漸變得清晰，最后將4個(gè)單像素檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合合成，形成一副準(zhǔn)確度極高的對(duì)象的3D圖像如圖3，從而可以與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，準(zhǔn)確判定進(jìn)入閘機(jī)的對(duì)象的具體情況。

這種設(shè)備簡(jiǎn)單，不需要鏡頭和復(fù)雜的設(shè)備，而且能夠處理那些現(xiàn)有光學(xué)元件無(wú)法檢測(cè)到的光波段，有效降低了使用成本。在現(xiàn)有的3D圖像合成技術(shù)中，對(duì)物體從不同的角度拍攝2D圖像，然后通過(guò)合成得到3D圖像，要求有較高的精確度和匹配度才能實(shí)現(xiàn)，成本高昂，計(jì)算復(fù)雜。與現(xiàn)有技術(shù)相比，“單像素3D成像技術(shù)”所得的物體圖像在空間上是一致的，只在陰影和明暗上有區(qū)別，因此大大降低了計(jì)算量。同時(shí)，該方法有全波段檢測(cè)性能，突破了現(xiàn)有技術(shù)只檢測(cè)可見光或者紅外光等波段束縛。

3　出入口軋機(jī)結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計(jì)

3.1出入口軋機(jī)單像素檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置

在地鐵、火車、飛機(jī)等車站布置的閘機(jī)上布置3D成像設(shè)備，需要根據(jù)單像素檢測(cè)技術(shù)的要求，按如圖4和圖5所示方式布置檢測(cè)點(diǎn)和光投影儀。

圖中A、B點(diǎn)分別表示兩個(gè)獨(dú)立的單像素測(cè)試點(diǎn)，CA、CB表示兩個(gè)獨(dú)立的光投影儀。為了簡(jiǎn)便，圖中僅給出了閘機(jī)一側(cè)的單像素檢測(cè)點(diǎn)和光投影儀布置的分布圖，與這一側(cè)對(duì)應(yīng)，在其相對(duì)的那扇閘機(jī)的面上也分別有兩個(gè)像素監(jiān)測(cè)點(diǎn)和光投影儀。

3.2模塊工作邏輯

閘機(jī)系統(tǒng)加入3D成像識(shí)別技術(shù)后，并不需要改變?cè)械姆亲R(shí)別模塊的功能設(shè)置。區(qū)別僅在于將2D成像識(shí)別技術(shù)更換為3D。所以，本文保持原有設(shè)計(jì)邏輯功能不變[3]。

工作時(shí)，閘機(jī)先收到刷票信息，然后開啟四個(gè)光投影儀（通道兩側(cè)的閘機(jī)上分別有兩個(gè)光投影儀），對(duì)進(jìn)入通道的對(duì)象進(jìn)行投光。之后，同樣是四個(gè)單像素檢測(cè)點(diǎn)分別在不同的光照下成像。成像數(shù)據(jù)送到后臺(tái)圖像合成模塊進(jìn)行3D圖像的形成，并與系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)的典型物體的形狀進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而做出操作決策，如放行、拒絕、記錄和報(bào)警等。其電路原理如圖6[1]。在做操作決策的前，微電腦系統(tǒng)將收到的信號(hào)通過(guò)專有算法合成計(jì)算，之后與數(shù)據(jù)庫(kù)的操作圖形進(jìn)行邏輯比對(duì)，得出操作決策指令。最后，通過(guò)CANBUS數(shù)據(jù)總線將執(zhí)行指令傳到執(zhí)行機(jī)構(gòu)扇門驅(qū)動(dòng)器1和2。至此，整個(gè)流程結(jié)束。

4　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了第三代出入口控制系統(tǒng)。主要是針對(duì)第二代閘機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)在缺陷進(jìn)行了針對(duì)性的改進(jìn)。首先，系統(tǒng)設(shè)計(jì)閘機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的2D圖像識(shí)別技術(shù)提高為3D，取得了革命性的技術(shù)突破，提高了檢測(cè)精度，對(duì)于疊加性的逃票和誤判，錯(cuò)誤執(zhí)行率大幅降低。同時(shí)，為了進(jìn)一步降低對(duì)兒童、孕婦、老人等易傷群體的傷害，將當(dāng)前主流的外覆軟性材料的硬擋板換成了具有高度彈性的互卡軟擋板，既降低了逃票的可能性，又保護(hù)了易傷群體。

[1]李紹林.基于嵌入式Linux的閘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].山東大學(xué),2013.

[2]施水娟,董應(yīng)超.扇門式閘機(jī)控制系統(tǒng)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2013:43-44.

[3]王洪云.基于QT的閘機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].電子科技大學(xué),2012.

[4]張毅,城市軌道交通車站閘機(jī)運(yùn)用優(yōu)化研究[J].中國(guó)鐵路,2014:106-110.