劉 涌，查 明

（上海寶信軟件股份有限公司 上海 201900）

1 引言

通常飛機(jī)航班管理很重視實(shí)時性，飛機(jī)需要嚴(yán)格遵照設(shè)定的時間起飛，這樣才能提升機(jī)場空間使用的周轉(zhuǎn)率、提升機(jī)場資源的使用效益[1]。乘客需要在規(guī)定時間內(nèi)到達(dá)機(jī)場候機(jī)并且嚴(yán)格遵守時間登機(jī)和值機(jī)；但是，在機(jī)場運(yùn)營過程中，經(jīng)常出現(xiàn)乘客誤機(jī)的事情，這不僅給乘客的出行造成不便，也不利于機(jī)場資源的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。建立旅客定位系統(tǒng)、基于定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對機(jī)場可控區(qū)域內(nèi)未登記旅客的實(shí)時確認(rèn)是解決這一問題的有效措施，同時乘客還可以利用這種定位系統(tǒng)尋找同機(jī)伙伴或者機(jī)組服務(wù)人員，享受智慧機(jī)場建設(shè)成果的福利[2]。傳統(tǒng)上機(jī)場旅客定位系統(tǒng)是采用主動尋的方式實(shí)現(xiàn)，即需要待尋目標(biāo)隨身攜帶或者裝備應(yīng)答式定位信號發(fā)射裝置，將定位信息通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)或者局域網(wǎng)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)發(fā)送或者點(diǎn)對面廣播，由定位系統(tǒng)采集這種信號并進(jìn)行解析，從中辨識出待尋的目標(biāo)的精準(zhǔn)位置。這種系統(tǒng)操作和實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，但是只有當(dāng)用戶發(fā)起定位請求時通過復(fù)雜的通信鏈路選擇才能實(shí)現(xiàn)定位，并且定位系統(tǒng)無法自動進(jìn)行尋的和定位，因此無法達(dá)到主動進(jìn)行目標(biāo)定位的目的[3-4]。因此，本文基于視覺感知技術(shù)設(shè)計旅客定位系統(tǒng)，重點(diǎn)對非合作目標(biāo)（也就是不確定待定位目標(biāo)的身份信息，只要定位系統(tǒng)打開，即可搜索并定位所有符合預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的待尋目標(biāo)）進(jìn)行主動定位，從而在機(jī)場有限空間范圍內(nèi)確定所有待登記乘客的位置和身份信息，及時進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)或者點(diǎn)對面的廣播時信息推送，提醒旅客及時登機(jī)。

2 基于視覺感知的旅客定位系統(tǒng)工作原理

2.1 視覺感知技術(shù)概述

視覺感知技術(shù)是圖像處理和目標(biāo)識別技術(shù)的綜合，主要是利用攝像頭采集到的圖像信息進(jìn)行目標(biāo)識別和定位。高清晰的廣角攝像頭分布在特定空間區(qū)域內(nèi)，對指定目標(biāo)或者進(jìn)入空間區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行面部特征采集，之后將采集到的圖像信息通過高速網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行快速傳輸，經(jīng)過計算機(jī)進(jìn)行特征分析并與數(shù)據(jù)庫中預(yù)存的人員信息進(jìn)行特征比對，根據(jù)比對得到的特征判斷目標(biāo)的身份和位置，完成特定的功能[5]。

2.2 旅客定位系統(tǒng)組成

基于視覺感知技術(shù)的旅客定位系統(tǒng)主要由以下分系統(tǒng)組成：圖像采集分系統(tǒng)，可以是高清晰的廣角攝像頭，分布在待檢空間區(qū)域的特定位置；局域網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)，具有大帶寬、快速傳輸?shù)男再|(zhì)，能夠確保大數(shù)據(jù)量的圖片和視頻信息進(jìn)行快速傳遞；計算機(jī)處理分系統(tǒng)，主要對采集到的圖像和視頻信息進(jìn)行實(shí)時處理，包括預(yù)處理、特征識別、特征比對、特征判別、結(jié)果輸出等功能；數(shù)據(jù)庫分系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)存儲功能，既需要存儲歷史信息，也需要實(shí)現(xiàn)與相關(guān)身份信息識別部門的聯(lián)網(wǎng)并用，具有數(shù)據(jù)快速讀取和存儲功能。

2.3 旅客定位系統(tǒng)架構(gòu)模式

基于視覺感知技術(shù)的機(jī)場旅客定位系統(tǒng)采用中心節(jié)點(diǎn)+子節(jié)點(diǎn)的架構(gòu)模式實(shí)現(xiàn)。中心節(jié)點(diǎn)具有計算能力較強(qiáng)的計算機(jī)系統(tǒng)組成，計算機(jī)系統(tǒng)除了需要搭配常規(guī)CPU之外，還需要具備強(qiáng)大的GPU處理能力，這樣才能快速運(yùn)行圖形圖像處理算法、實(shí)現(xiàn)在線快速計算；子節(jié)點(diǎn)主要是各種分布式攝像頭和存儲器，攝像頭的布設(shè)依據(jù)機(jī)場待監(jiān)測區(qū)域的空間分布情況和最大候機(jī)人數(shù)進(jìn)行綜合確定，采用高空云臺進(jìn)行架設(shè)，存儲器包括圖像特征存取數(shù)據(jù)庫和特征比對數(shù)據(jù)庫，特征比對數(shù)據(jù)庫包括所有購買相關(guān)班次機(jī)票的旅客，待飛機(jī)候機(jī)時間開始后，特征比對數(shù)據(jù)庫開始啟動直至飛機(jī)起飛后或者待機(jī)結(jié)束后該數(shù)據(jù)庫關(guān)閉，這樣做以減少數(shù)據(jù)庫工作時間并減輕定位系統(tǒng)的工作壓力、降低資源無效消耗率。

子節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)共同協(xié)調(diào)配合完成旅客身份識別和定位功能；子節(jié)點(diǎn)也具有旅客身份識別和定位的能力，從而降低中心節(jié)點(diǎn)的資源消耗、提高中心節(jié)點(diǎn)的工作效率。具體來說，可以對機(jī)場候機(jī)樓進(jìn)行區(qū)域劃分，在入口一定距離范圍內(nèi)的旅客由中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行特征采集和比對識別，經(jīng)過該區(qū)域、繼續(xù)進(jìn)入候機(jī)樓內(nèi)部區(qū)域的旅客由子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行特征采集和比對識別；相應(yīng)地對特征比對數(shù)據(jù)庫內(nèi)的已知身份信息進(jìn)行分類，可以分為活躍用戶和非活躍用戶兩類，將中心節(jié)點(diǎn)識別并對比的數(shù)據(jù)歸結(jié)為非活躍用戶、將子節(jié)點(diǎn)識別并比對的數(shù)據(jù)歸結(jié)為活躍用戶，這兩類用戶信息可以由中心計算機(jī)和子節(jié)點(diǎn)計算機(jī)進(jìn)行分別調(diào)用，這樣可以提升數(shù)據(jù)庫信息的輸出速度。對旅客身份進(jìn)行識別和確定之后，根據(jù)攝像頭架設(shè)位置、采集到的旅客圖像特征像素大小等幾何尺寸信息，預(yù)估出旅客在候機(jī)大廳內(nèi)部的準(zhǔn)確位置，從而便于機(jī)場服務(wù)人員第一時間對旅客進(jìn)行身份識別、位置確定并及時聯(lián)系上旅客。

另外，旅客信息數(shù)據(jù)庫需要進(jìn)行在線維護(hù)，具體來說就是當(dāng)某一批次登機(jī)旅客中的第一位進(jìn)入機(jī)場待檢區(qū)域后，攝像頭第一時間采集到旅客的特征信息上傳至中心節(jié)點(diǎn)計算機(jī)，此時該批次所有旅客的身份信息全部進(jìn)入緩存待調(diào)用狀態(tài)，供中心節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)計算機(jī)進(jìn)行調(diào)用；當(dāng)待機(jī)時間結(jié)束或者登機(jī)時間結(jié)束后，該批次所有旅客的身份信息全部在數(shù)據(jù)庫中清除，釋放出空間調(diào)用和讀取下一批次旅客身份信息。

3 基于視覺感知的旅客定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)解析

3.1 攝像頭圖像信息的預(yù)處理

對于攝像頭采集到的圖像信息，在輸入計算機(jī)進(jìn)行特征分析前需要進(jìn)行預(yù)處理。首先需要灰度化，將攝像頭RGB 3個通道的亮度進(jìn)行加權(quán)求和，然后取平均值，利用此平均值作為灰度化的基礎(chǔ)；灰度化結(jié)束后，需要對灰度圖像進(jìn)行空間變換，通過平移、轉(zhuǎn)置、旋轉(zhuǎn)、縮放等幾何處理方法將校正采集到的圖像與攝像頭成像角度、透視關(guān)系等參數(shù)之間的隨機(jī)誤差，必要時可以采用灰度插值算法進(jìn)行輔助計算，通過空間變換對圖像信息進(jìn)行補(bǔ)充和修復(fù)，確保圖像信息中位置信息的無缺失或者少缺失。對于一些不清晰的圖像，必要時可以進(jìn)行降噪處理，此時可以利用鄰域去噪法，將圖像在頻率域中進(jìn)行處理，利用鄰域圖像信息數(shù)據(jù)對受到噪聲污染的圖像信息進(jìn)行補(bǔ)充，從而獲得高清晰的圖像。

3.2 圖像信息的特征提取

利用圖像信息進(jìn)行旅客身份識別和定位時，可以選擇臨近像素點(diǎn)之間的距離作為圖像特征。對特定時刻的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以利用邊緣檢測的方法進(jìn)行特征信息的提取。將攝像頭采集到的機(jī)場旅客圖像中局部強(qiáng)度不連續(xù)的像素集合作為待檢測邊緣，基于不同檢測邊緣之間的陰影、亮度等的變化進(jìn)行邊界分割，將這些特征結(jié)合旅客的面部特征（比如臉部輪廓）和體型特征等定義為邊緣檢測算子，利用不同的邊緣檢測算子識別方法進(jìn)行特征提取。

3.3 人臉特征信息的跟蹤

進(jìn)行旅客身份識別和定位時，高清攝像頭采集進(jìn)入視場內(nèi)的旅客臉部信息，在一段時間內(nèi)采集到的特征信息組成時間數(shù)據(jù)序列，中心計算機(jī)利用該段時間數(shù)據(jù)序列進(jìn)行特征提取和比對時，需要從該段序列信息中抽取某個時刻或者某段時間內(nèi)的特征信息進(jìn)行計算。實(shí)現(xiàn)這一目的可以使用全局最近鄰算法。

全局最近鄰算法的核心思想是在特定時刻t，將攝像頭所檢測到的人臉特征信息表示為集合，其中m和n表示攝像頭所具有的橫向和縱向的像素分辨率（也就是所采集到的圖像的縱橫兩個方向的像素數(shù)），x表示所選擇的狀態(tài)變量（一般選擇為距離）；將目標(biāo)集合在該時刻的狀態(tài)表示為；特征矩陣表示該時刻所檢測到的旅客人臉特征信息與目標(biāo)特征信息之間關(guān)聯(lián)方式的集合，在此情況下多目標(biāo)追蹤過程可以表示為公式（1）所示的最優(yōu)化問題：

求解公式（1），即可獲得特定時刻所檢測到的旅客人臉特征信息與目標(biāo)特征信息之間的關(guān)聯(lián)方式，從而實(shí)現(xiàn)對旅客信息的實(shí)時跟蹤。

將旅客特征信息與目標(biāo)數(shù)據(jù)庫中預(yù)存的特征信息進(jìn)行比對，設(shè)定目標(biāo)信息重合度閾值，當(dāng)旅客特征信息與目標(biāo)特征信息重合度達(dá)到該閾值時，即可認(rèn)定兩者的特征信息高度匹配、屬于同一個人，從而給出相關(guān)的信息數(shù)據(jù)。

3.4 旅客目標(biāo)定位

為了進(jìn)行旅客目標(biāo)的定位，需要建立攝像頭坐標(biāo)系和特征旅客本體坐標(biāo)系，根據(jù)兩者之間的空間角度關(guān)系確定坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，結(jié)合坐標(biāo)系變換關(guān)系和旅客與攝像頭之間的距離，計算出旅客位置相對于攝像頭之間的結(jié)合關(guān)系，將它們同時變換到空間慣性坐標(biāo)系中。在空間慣性坐標(biāo)系中利用幾何關(guān)系對旅客相對于攝像頭的位置進(jìn)行計算，必要時考慮到旅客圖像的面積輪廓，利用輪廓在攝像頭視場中所占用的像素比例數(shù)來對空間位置進(jìn)行修正。

4 結(jié)語

基于視覺感知技術(shù)的旅客機(jī)場定位系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的主動式定位系統(tǒng)，它避免了無線信號的發(fā)射與搜尋，可以利用攝像頭采集到的圖像信息直接進(jìn)行計算，不易受到無線電信號的干擾。但是，這種技術(shù)對攝像頭采集到的圖像信息質(zhì)量要求較高，圖像需要高清，同時旅客特性比較好識別和尋找，這樣才能快速識別并減少對計算機(jī)計算能力的壓力；另外，需要提前布設(shè)好攝像頭的空間位置，建立攝像頭坐標(biāo)系與旅客坐標(biāo)系以及慣性坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，這樣才能計算出相對精確的旅客位置信息。本文分析了基于視覺感知的旅客定位系統(tǒng)的工作原理，明確了視覺感知技術(shù)的基本原理并設(shè)計了旅客定位系統(tǒng)的組成和架構(gòu)模式，實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)備的搭建；在此基礎(chǔ)上對基于視覺感知的旅客定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，重點(diǎn)分析了攝像頭圖像信息的預(yù)處理技術(shù)、圖像信息的特征提取技術(shù)、人臉特征信息的追蹤技術(shù)和旅客目標(biāo)定位技術(shù)，這些技術(shù)共同構(gòu)成了旅客定位系統(tǒng)的軟件運(yùn)算基礎(chǔ)。后續(xù)研究過程中，需要對軟硬件之間的接口進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化，同時結(jié)合具體任務(wù)需求對硬件設(shè)備進(jìn)行選型分析和搭建，對軟件算法部分進(jìn)行改進(jìn)，在能夠滿足實(shí)際使用需求的前提下，進(jìn)一步探索提高圖像處理速度和定位精度的方法。