吳麗1 崔鉑晗2 王克儉3 趙洪濤4 顧愛華5 1,4,5保定職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2保定市電化教育館 3河北農(nóng)業(yè)大學(xué)

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 功能需求分析設(shè)計(jì)

1.1.1 環(huán)境需求

本系統(tǒng)對軟硬件的環(huán)境要求主要是考慮人員識別的準(zhǔn)確度和高效性，本系統(tǒng)采用?？低晹z像頭實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識別，被動式紅外感應(yīng)器和單片機(jī) STC89C51實(shí)現(xiàn)目標(biāo)方向判定，服務(wù)器建議采用酷睿i5系列處理器、8G內(nèi)存條，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用Microsoft Sql Server 2012，客戶端操作系統(tǒng)要求支持多種I E瀏覽器的操作系統(tǒng)，服務(wù)器操作系統(tǒng)要求采Linux操作系統(tǒng)等。

1.1.2 功能要求

本系統(tǒng)將以人體雙向感應(yīng)器和攝像頭相結(jié)合的方式，來實(shí)現(xiàn)封閉區(qū)域范圍內(nèi)人數(shù)的精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)，最后通過設(shè)計(jì)的人數(shù)統(tǒng)計(jì)的綜合管理平臺實(shí)現(xiàn)人數(shù)各種數(shù)據(jù)分析及用戶登錄訪問、查詢。該系統(tǒng)采用了劃分模塊，逐個模塊解決的方法，本系統(tǒng)根據(jù)功能需求劃分了三個主模塊：研究目標(biāo)方向定位、目標(biāo)檢測、系統(tǒng)平臺構(gòu)建，然后在根據(jù)每個主模塊的功能需求劃分子模塊。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將一個系統(tǒng)劃分成為若干個模塊有利于降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時也可以使得模塊間的通信和相互依賴關(guān)系達(dá)到最小。根據(jù)本系統(tǒng)的功能要求，按照模塊設(shè)計(jì)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

2.1 目標(biāo)方向定位

本系統(tǒng)采用被動式紅外線傳感器作為接收人體紅外輻射。它具有方向識別的功能，能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，通過單片機(jī)STC89C51進(jìn)行處理，從而準(zhǔn)確它們反映人體的進(jìn)、出行走方向。

2.2 目標(biāo)檢測

監(jiān)控的場景主要是人流量大的出入口，采用單攝像頭垂直拍攝的方法，這種方法獲取的圖像特征比較明顯，能夠辨識頭部輪廓及軀干部分，并能有效的避免相互遮擋問題。

2.2.1 目標(biāo)檢測子模塊的各功能實(shí)現(xiàn)

按照功能模塊來分，目標(biāo)識別基本是由下面幾個子模塊組成的：采集圖像幀模塊、前景檢測模塊、新目標(biāo)檢測模塊、機(jī)器學(xué)習(xí)模塊、同一目標(biāo)檢測模塊和計(jì)數(shù)模塊。各模塊功能實(shí)現(xiàn)如下：

①采集圖像幀模塊：采集圖像幀時，如果單片機(jī)傳出加1時，采集控制進(jìn)的紅外線上那一切面的圖像作為圖像幀進(jìn)行分析；同理，如果單片機(jī)傳出減1，采集控制出的紅外線上的那個切面的圖像作為另一個圖像幀進(jìn)行分析。

把這個切面作為感興趣區(qū)域，由于攝像頭所拍攝的肯定和實(shí)際需求區(qū)域不相符，如何正好把感興趣的區(qū)域檢測出，本論文利用了opencv 里面ROI的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)感興趣區(qū)域，ROI（Region of Interest）是指圖像中的一個矩形區(qū)域，在實(shí)際工作中有著很重要的作用，在很多情況下，使用它們會提高計(jì)算機(jī)視覺代碼的執(zhí)行速度。

②前景檢測模塊：判斷每一個像素是前景還是背景，將運(yùn)動目標(biāo)從背景圖像中分離出來，輸出前景掩碼。

③新目標(biāo)檢測模塊：根據(jù)前景檢測模塊輸出的前景掩碼和已跟蹤目標(biāo)鏈表，利用連通區(qū)域的整體移動，過濾掉不合規(guī)則的團(tuán)塊，來將新的運(yùn)動目標(biāo)檢測出來。

④機(jī)器學(xué)習(xí)模塊：該模塊針對需要識別的目標(biāo)特征訓(xùn)練分類器，使它能對輸入的目標(biāo)進(jìn)行分類，以提高人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和精確性，分類器能排除干擾目標(biāo)以及能對多人并行的情況進(jìn)行同時計(jì)數(shù)，具體實(shí)現(xiàn)中采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器。新目標(biāo)檢測模塊輸出的新目標(biāo)鏈表通過該識別模塊的檢測后，會去掉非人體的人體的干擾目標(biāo)，并且能判斷出每一個目標(biāo)團(tuán)塊中包含的人數(shù)。

⑤同一目標(biāo)檢測模塊：在對比兩幀是否為同一目標(biāo)時，對比前0.1秒視頻幀，由于兩對紅外對管存在水平間距大約為50cm，從理論上說人走過大概用0.1秒，這一幀大概在另一個紅外線的切面上。

通過對人員根據(jù)頭部位置進(jìn)行聚類，可以判斷“進(jìn)”區(qū)域，假設(shè)“進(jìn)”區(qū)域是當(dāng)前幀，對比幀為前0.1秒的“出”區(qū)域幀，同一個人員在相鄰兩幀中的位移就在2-4個像素之間（大概0.1秒），當(dāng)在這之間距離則兩邊的人員是同一個人，否則人員剔除。同理，“出”區(qū)域判斷方法同上。

⑥計(jì)數(shù)模塊：封閉區(qū)域人數(shù)智能統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)在進(jìn)出切面線上分割出運(yùn)動目標(biāo)的頭部區(qū)域個數(shù)，結(jié)合單片機(jī)傳來的進(jìn)出信號，對進(jìn)去人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2.2.2 目標(biāo)識別運(yùn)行流程

目標(biāo)識別運(yùn)行過程為，首先通過單片機(jī)傳出的加1或減1信號采集視頻幀，將視頻幀送入前景檢測模塊提取運(yùn)動目標(biāo)，然后通過新目標(biāo)檢測子模塊檢驗(yàn)出新進(jìn)入的運(yùn)動目標(biāo)，接著提取目標(biāo)區(qū)域的特征向量，并送入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器判定是否為人頭，比對兩幀是否同一目標(biāo)，從而確定進(jìn)出人數(shù)。

3 系統(tǒng)平臺構(gòu)建

本模塊劃分為三個子模塊來實(shí)現(xiàn)，具體的子模塊實(shí)現(xiàn)功能如下：

3.1 “局域服務(wù)器”子模塊：該服務(wù)器用于控制一組人數(shù)統(tǒng)計(jì)處理單元。局域服務(wù)器的主要功能包括對每個攝像頭里人數(shù)區(qū)域與方向進(jìn)行設(shè)置、產(chǎn)生本地人數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，本地數(shù)據(jù)庫管理、本地查詢報表和用戶權(quán)限管理等功能。

3.2 “綜合管理平臺”子模塊：該平臺可以連接所有下屬局域服務(wù)器，其主要功能包括搜集局域服務(wù)器數(shù)據(jù)和視頻圖像、對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析、支持遠(yuǎn)程終端報表查詢；實(shí)時查看區(qū)域內(nèi)人數(shù)；在區(qū)域內(nèi)人數(shù)達(dá)到一定限度（有用戶設(shè)置）時，系統(tǒng)報警；分時段查詢區(qū)域出、入和區(qū)域內(nèi)人數(shù)。

3.3 “遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端”子模塊：遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端基于手機(jī)APP。客戶可通過下載手機(jī)APP，隨時登陸進(jìn)入系統(tǒng)，使用綜合管理平臺提供的各種情況查詢、各種情況的統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)場情況預(yù)警等各種服務(wù)，方便快捷。

智能區(qū)域人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，是基于圖像識別和紅外傳感器技術(shù)結(jié)合應(yīng)用擴(kuò)展和升級，該系統(tǒng)能夠根據(jù)高清攝像頭的影像檢測信息，通過感應(yīng)器檢測運(yùn)動方向，經(jīng)過軟件準(zhǔn)確分析區(qū)域范圍的人數(shù)信息，并能結(jié)合影像數(shù)據(jù)，給用戶提供即時的定點(diǎn)視頻信息。該系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)信息還可以通過網(wǎng)絡(luò)，借助云計(jì)算，形成大數(shù)據(jù)報表，為其他商業(yè)管理軟件使用，提供科學(xué)管理有力依據(jù)。該系統(tǒng)可以在不同封閉場合可以發(fā)揮不同的作用，應(yīng)用非常廣泛。

[1]賈強(qiáng).基于熱釋電紅外線傳感器的電路設(shè)計(jì)[D],電子技術(shù)與軟件工程，2015（3）:126-126.

[2]劉子源,蔣承志.基于Opencv和Haar特征分類器的圖像人數(shù)檢測[J].遼寧科技大學(xué)學(xué)報,2011,34（4）:30-32.

[3]徐培智,徐貴力,黃鑫.基于隨機(jī)Hough變換的人頭檢測[J].計(jì)算機(jī)工程,2012（1）:48-50.